Текст книги "Неизвестный алмаз. «Артефакты» технологии"

Создав в объеме кристалла свою систему, стоячие волны в процессе воздействия продолжают взаимодействовать с бегущими волнами. Отсюда, динамическая волновая среда в объеме алмаза начинает обладать определенной системой взаимодействующих бегущих и стоячих волн. В этом случае проявляется вероятность концентрации волновой энергии и образование высокоэнергетических доменов на тех участках объема алмаза, которые не соответствуют оптимальному (гармоничному) прохождению волновых процессов. Например, на дефектах кристаллической структуры.

По нашим данным, в этом случае в динамической волновой среде происходит изменение (корректировка) дефектно-примесной структуры алмаза. Ниже мы приводим результаты исследований алмазной пластины до нашего воздействия и после волнового возбуждения.

Таблица 2.1. Пластина до волновой обработки

Таблица 2.2. Пластина после волнового воздействия

По результатам этих исследований делаем вывод:: после нашего волнового воздействия увеличилось содержание атомов азота в A-форме в объеме алмаза на ~25 %, произошло снятие внутренних напряжений в пластине, улучшились оптические характеристики алмаза, в частности произошло уменьшение величины оптической анизотропии.

Известно, что кристаллы алмаза обладают анизотропией физических характеристик. Например, анизотропия механических свойств этого упругого тела (мягкие и твердые направления обработки) позволяет рассматривать алмаз как некий нелинейный элемент при протекании в нем волнового процесса упругих деформаций. Вследствие этого при нашей обработке материала в его объеме происходит резкое умножение частоты формируемого флуктуирующего волнового поля алмаза.

Это умножение частоты происходит за счет вклада в волновой процесс определенного вида гармоник высокого порядка, кратных основной частоте возбуждения, задаваемой алгоритмом. Это свойство алмаза расширяет возможности изменения его дефектно-примесной структуры, а также повышает эффективность формирования поверхностных и объемных диссипативных структур при использовании квантово-волновой технологии.

Важную роль при формировании динамической волновой среды и протекании волнового процесса в целом оказывает и форма обрабатываемого кристалла. Это вполне очевидно, т. к. бегущие когерентные волны отражаются в объем от внутренних поверхностей алмаза. Эффект формы алмаза может формировать и влиять на определенные свойства динамической волновой среды. Наблюдается также и влияние высокочастотной динамической волновой среды на конфигурацию определенных форм кристалла. Связь взаимная. В этом случае не исключена возможность в поверхностной области алмаза значительной локальной концентрации волновой энергии и, как следствие, трансформации (изменения) формы кристалла. В отдельных случаях нами наблюдался локальный выброс в атмосферу материи алмаза при нормальных условиях на тех участках поверхности кристалла, которые не подвергались воздействию инструмента («шуба» отсутствовала).

На рис. 2.12а приведено изображение пластины из синтетического алмаза. В центре видна затравка. Также наблюдается типичная картина внутренних напряжений в полном соответствии с кристаллографией кристалла. Светлые области вокруг места расположения затравки вызваны внутренними напряжениями по причине высокой скорости роста кристалла в начальный период синтеза. На рис. 2.12б приведено изображение бокового ребра пластины.

Рис. 2.12. Пластина синтетического алмаза (а), ребро пластины (б)

Рис. 2.13. Пластина синтетического алмаза (a) и трансформированное ребро после воздействия (б)

Эта пластина была обработана по сложному алгоритму. Суть алгоритма обработки заключалась в следующем. После воздействия первого алгоритма на поверхность пластины следующий более высокочастотный алгоритм задавался таким образом, чтобы сохранялась кратность фаз накладываемых волновых функций. Для каждой поверхности пластины сложный алгоритм включал пять простых алгоритмов, синхронизированных по этому принципу (принципу кратности фаз). Верхняя и нижняя плоскости подвергались одинаковому воздействию. Волновое возбуждение кристалла Но обеим плоскостям было проведено в одних и тех же условиях. На рис. 2.13 приведено изображение пластины после волнового воздействия.

Сравнение рис. 2.12 и 2.13 показывает произошедшие изменения в алмазной пластине. В данном случае нас интересует трансформация боковых ребер алмаза и образование неких «желобков» на каждом ребре. По всей видимости, характер протекания волновых процессов в алмазной пластине был дополнительно обусловлен формой кристалла и созданием «шубы» на обеих поверхностях.

Динамическая волновая среда находилась как бы между обкладками «конденсатора», где роль обкладок играла «шуба». В этом случае концентрация высокочастотной волновой энергии особо проявилась на ребрах. Общий характер изменения внутреннего состояния пластины хорошо наблюдается в поляризованном свете (рис. 2.14).

Подобный сложный алгоритм обработки больше не применялся нами для обьиной полировки плоскопараллельных пластин. Только один раз в последующих экспериментах был применен подобный режим обработки для синтетических пластин алмаза, выращенных методом CVD (Chemical vapor deposition – химическая кристаллизация алмаза (кристаллизация из газовой фазы)). И в этот раз волновые процессы проявили себя по-другому.

Нами были обработаны три калиброванные пластины, выращенные методом CVD, с обеих сторон вышеописанным сложным алгоритмом. В результате воздействия толщины пластин изменились. Две пластины увеличились в толщине на ~60 мкм, а третья пластина стала толще на ~75 мкм. При этом общая масса пластин осталась неизменной.

Рис. 2.14. Обработанная пластина в поляризованном свете

Тщательные измерения четырех сторон пластин показали, что увеличение толщины привело куменьшению их габаритов. Пластины представляли собой калиброванную квадратную конфигурацию, т. е. длина пластины строго равнялась ее ширине. Объем пластин при этом остался неизменным.

На последней пластине, увеличившейся в толщине на ~ 7 5 мкм, в центре ее объема наблюдалась белая полупрозрачная, словно туман, область – рассеяние света на флуктуациях плотности. Такое явление называется опалесценция [16]. При критической опалесценции свет очень плохо проходит через вещество, рассеиваясь во все стороны. Вещество в критической области больших флуктуаций плотности приобретает мутно-белую окраску, напоминающую минерал опал, отсюда это явление получило название опалесценция.

Источником волн, генерируемых в объем алмаза при соприкосновении с инструментом, является зерно алмазного абразива. На поверхности инструмента (при его изготовлении) происходит произвольное распределение этих зерен при определенной концентрации этого абразива в объеме рабочего слоя. В результате обработки, учитывая скорость вращения инструмента, каждое зерно абразива, имея произвольные пространственные координаты в плоскости инструмента, с определенной периодичностью взаимодействует с поверхностью алмаза. Поскольку каждое зерно является источником волны, то в этом случае можно предполагать высокочастотную генерацию волн в объем алмаза при взаимодействии этих зерен с поверхностью кристалла. Характер этой генерации в общем случае носит относительно шумовой характер. В традиционной технологии обработки алмаза так и происходит.

В нашем случае колебания работающего инструмента (частота ß) в строго определенном аппаратурном факторе (г_a) обеспечивают приращение линейной скорости движения инструмента относительно обрабатываемой поверхности алмаза (ΔV). Поскольку колебания инструмента (частота ß) происходят с гораздо меньшей частотой, по сравнению с частотой касания каждого зерна абразива, то в результате периодическую функцию изменения скорости (см. рис. 1.1) можно представить как некую частотно-модулированную функцию воздействия на кристалл. А условия строгого постоянства ΔV и создают тот самый определяющий фактор образования когерентного поля упругих деформаций в объеме алмаза.

Возможно ли обычную механическую обработку кристалла описать взаимодействием довольно сложных волновых функций работающего инструмента и алмаза? В рамках существующих представлений такое описание не имеет смысла, ибо в применяемых современных технологиях взаимодействие этих функций смысла не несет (прямая линия на рис. 1.1). И учитывать тонкие волновые взаимодействия в кристалле алмаза в ручном режиме огранщики не в состоянии, поэтому обрабатывают алмаз без учета этих взаимодействий. Волновой процесс в этом случае неуправляемый и относится к области паразитных шумов с точки зрения фононной подсистемы кристалла (идет повышение его температуры). В качестве примера нашего «тонкого» волнового воздействия приведу одну из составляющих общего алгоритма трансформации кристалла. Общий алгоритм описывать долго и не имеет смысла. А вот одну из его изюминок я с удовольствием опишу.

Как уже сообщалось выше, ΔV является константой и строго зависит от (г_a). Это аппаратурный фактор и в процессе воздействия не меняется. А каким же образом в процессе воздействия можно на него (ΔV) повлиять?

Эксцентричное перемещение оси α вокруг оси ß может происходить двумя путями:: либо это перемещение и вращение инструмента однонаправленно (вращение и перемещение происходит в одну сторону), либо они вращаются в разных направлениях. И в этом случае проявляется один очень важный момент: вращаясь в одну сторону, скорость движения по оси ß дополняет скорость вращения по оси α. В результате ΔV имеет приращение (немного увеличивается).

При противоположном движении возникает противоположный эффект, и ΔV немного уменьшается. Вроде бы очевидный факт, но при нашем периодическом волновом воздействии на алмаз этот факт (как и его комбинации) значительно влияет на формируемое волновое поле алмаза. И это влияние проявляется во вполне определенных тонких эффектах, как в морфологии поверхности, так и в формировании объемной флуктуационной структуры алмаза, расширяя возможности нашей технологии.

В качестве примера приведу картинку движения произвольной точки (или единичного зерна абразива) на поверхности инструмента (области окружности, описываемой осью «вокруг оси ß). Характер этого движения фиксируется нашим компьютером во время работы системы. Соотношение частот α и ß в данном случае формирует некую пятилепестковую фигуру.

Математически эту траекторию можно описать как траекторию эпициклоиды. Ее образование вполне понятно, ибо это эффект эксцентричного движения оси α вокруг оси ß в однонаправленном режиме [17].

Следующая картинка – изображение гипоциклоиды. Кратность соотношения частот строго соблюдена. Все параметры движения сохранены, только поставлен знак (—) в одном из параметров направления движения инструмента. Движения оси α вокруг оси ß разнонаправленные.

В этом случае происходит не только изменение величины AV, но и существенное изменение характера волновой функции воздействия на кристалл алмаза активного инструмента. А это отражается, в свою очередь, на формируемом волновом поле алмаза.

Этот прием с учетом основного алгоритма воздействия и был реализован при получении молочного тумана опалесценции в объеме CVD кристалла. Красивый и элегантный приемчик, правда? И делается простым нажатием пальца по клавиатуре…

В общем случае процесс волнового воздействия можно представить следующим образом.

Систему возбуждения, основу которой составляет инструмент, можно рассмотреть как некую волновую функцию. Условиями формирования этой функции являются задаваемые (программируемые) параметры, такие как усилие прижима инструмента к кристаллу, определенные соотношения скоростей вращения а и ß, наклон кристалла, вращение алмаза при сохранении заданных пространственных координат инструмента и обрабатываемого кристалла и т. д. и т. п. Всего в процессе воздействия промышленный компьютер отслеживает 32 независимых друг от друга параметра.

Динамическая высокочастотная волновая среда, обладая своими начальными волновыми характеристиками, снимает внутренние напряжения в кристалле, делая его более совершенным, изменяет дефектно-примесную структуру системы, трансформирует форму алмаза, тем самым формируя условия для изменения параметров своей изначальной функции на функцию с другими характеристиками.

Переходя в область еще более высокочастотных характеристик и увеличивая степень когерентности системы кристалла, динамическая волновая среда влияет также на «шубу», трансформация которой опять создает условия для нового производства энтропии. Со временем вся динамическая система алмаза приходит в некое равновесное состояние. Это достигнутое равновесное состояние системы не меняется в процессе дальнейшей обработки при условии постоянства алгоритма возбуждения. После снятия воздействия кристалл алмаза, перейдя на новый уровень своей энтропии, сохраняет свои вновь приобретенные характеристики и свойства. Чтобы изменить достигнутые характеристики и свойства алмаза, необходимо изменить применяемый в дальнейшем алгоритм воздействия.

Как правило, «артефакты» технологии происходят неожиданно и в случаях, казалось бы, совершенно тривиальных. Что влияет на их неожиданное проявление – пока не совсем ясно. Может быть, применяемые алгоритмы, может быть структура кристалла, а может быть все вкупе.

При обработке синтетического кристалла алмаза массой 1,78 карат был выявлен факт, который даже в дружной семье «артефактов» занял особое положение. Была поставлена задача: сформировать параболоид на нижней части кристалла (рис. 2.15). Место касания инструмента (я) видно на нижней усеченной пирамиде в районе затравки.

В процессе пятиминутного воздействия на кристалле явно стали формироваться и полироваться т. н. желобки на всех ребрах нижнего октаэдра (рис. 2.156), даже на тех ребрах, которые имели сколы. По нашему мнению, этот факт (замеченный ранее и на других кристаллах, рис. 2.13) означал начало трансформации всего кристалла алмаза.

Противоположная часть кристалла находилась в оправке, залитая специальным цементом, разработанным бельгийской фирмой «Беттонвиль» для крепления алмазов при обдирке рундиста (ободка будущего бриллианта). Температура плавления клея -150 °C.

После пяти минут воздействия процесс обработки кристалла был прекращен. Алмаз выклеен из оправки и очищен от следов цемента. Два ребра верхней пирамиды кристалла были явно «растравлены» (рис. 2.16в). Одно ребро «пострадало» больше другого. Противоположные «растравленным» ребра октаэдра остались без особых видимых изменений.

Рис. 2.15. Синтетический алмаз: начало формирования параболоида (а); образование «желобков» на ребрах (б)

Рис. 2.16. Растравленные ребра алмаза (в)

Травление алмаза в потоке кислорода – факт известный. Но в нашем случае предполагать нагрев залитого цементом алмаза до 800 °C и его взаимодействие с кислородом окружающего воздуха – не сильно оптимистичная идея, тем более что нагрев кристалла отсутствовал. По показаниям электронного термометра температура алмаза в процессе обработки составляла -23,5 С.

Вполне очевидно, что подобные изменения в алмазе (рис. 2.17) могли произойти только из-за протекания волновых процессов в его объеме и на его поверхности, стимулированных определенным алгоритмом воздействия.

Кстати произошло и снятие внутренних напряжений в кристалле. Снимок сделан в поляризованном свете в скрещенных поляризаторах (рис. 2.18).

Рис. 2.17. Растравленное ребро алмаза (в)

Рис. 2.18. Кристалл алмаза в поляризованном свете: до воздействия (я); после воздействия (6)

В процессе разработки технологии воздействия на алмаз вполне естественно возник вопрос максимальной производительности установки при огранке алмаза в бриллиант по сравнению с существующей ручной обработкой. В алмазообработке вопрос производительности огранки является весьма непростым. Кристаллы алмаза различны по своим характеристикам, различна квалификация огранщика и т. п. Тем более некорректно сравнивать станок с ЧПУ и квалифицированного огранщика. Но задача поставлена, и мы приступили к исполнению. Была выбрана заготовка для огранки бриллианта диаметром – 2 мм. На ней за Определенное время необходимо было поставить восемь граней низа бриллианта в полном автоматическом режиме.

В то время наши понятия о скорости обработки алмаза не сильно отличались от традиционных (общепринятых) понятий. Больше давление, больше обороты двигателя – больше съем материала. Так нам казалось. Поэтому при написании программного обеспечения этим параметрам было уделено особое внимание. Такого давления, таких оборотов α и ß в дальнейшем мы никогда не использовали.

Давление ~1,2– 10⁶ Па, α~ 9500 об./мин. и ß ~ 50 Гц. Обычно применяемые нами современные параметры обработки во много раз меньше. Но тогда очень хотелось произвести эффект.

На заготовке алмаза, предоставленного для эксперимента, у самой вершины кристалла изначально была маленькая еле заметная трещинка. В традиционной обработке алмазов в бриллианты, учитывая сопутствующие температуру, давление и деформации, непременно произошел бы скол этой вершинки. В нашем случае, как ожидалось, вершину можно было сохранить, что и являлось бы показателем «нежности» нашего воздействия.

Начался процесс огранки в полностью автоматическом режиме. При контакте работающего инструмента и алмаза во время выполнения программы обработки кристалл начал очень интенсивно светиться ярким золотистым светом. Такого яркого свечения мы в дальнейших работах никогда не наблюдали. Через 18 минут процесс закончился, и система воздействия (станок с ЧПУ) автоматически вышла в исходное состояние.

Качество огранки оказалось весьма приемлемым: полированные плоскости, трещинка и вершина кристалла сохранились, шип будущего низа бриллианта был на высоком уровне, т. е. сошелся в точку. Производительность нашей системы (по времени) оказалась на уровне огранщика средней квалификации. Работа сделана. Но почему-то захотелось ее еще раз повторить…

Было принято решение немного выдвинуть алмаз из удерживающей цанги, развернуть его ребром к инструменту и второй раз провести процедуру. На первую систему из восьми граней наложить со сдвигом на ребра вторую аналогичную систему. Что и было сделано незамедлительно.

Рис. 2.19. Схема ограненного кристалла

На рис. 2.19 приведена схема обработанного кристалла после первой огранки. На вершине схематично показана маленькая, еле заметная трещинка.

При второй обработке алмаз вел себя аналогично (программное обеспечение процесса не менялось). Вспыхнуло золотистое сияние. Весь процесс занял 18 минут. Но когда его сняли с установки и поместили под оптический микроскоп…

Мы впервые наблюдали изогнутый кристалл. С одной стороны полукруглые выпуклые ребра, с другой – ребра вогнутые. Небольшая, но хорошо наблюдаемая «изогнутость» алмаза. А на шести обработанных гранях очень хорошо просматривались в микроскоп «пупырышки». Причем размер этих «пупырышек» постепенно уменьшался от первой грани начального касания инструмента до шестой. А на двух последних (седьмой и восьмой) гранях этих «пупырышек» почему-то вообще не было! Такого мы больше никогда не видели и очень жалели, что в тот момент у нас в наличии не было системы регистрации изображений.

Специалисты-алмазники отказались комментировать этот факт, когда мы принесли кристалл им на заключение. Единственная их просьба – больше этот кристалл никому не показывать. Что мы и делали в течение восьми лет.

Как известно с XII века из опытов некоего алхимика Магнуса [18], если подержать алмаз на солнечном свете, а потом кинуть его в ведро с горячей водой, то он вспыхнет ярким голубым светом. Сегодня этот эффект термостимулированной люминесценции считается известным и исчерпывающе описанным [19]. И у нас возник интерес, а что будет, если алмаз подержать на солнечном свете после нашего воздействия?

Через восемь лет после огранки «погнутый» кристалл был вытащен из хранилища и вынесен на солнечный свет (безоблачное небо, середина июня, 11 часов 45 минут дня). Через 20 минут облучения солнечным светом алмаз опять был помещен в хранилище. А когда мы его вынули из хранилища через трое суток, то очень обрадовались, что у нас в наличии есть система регистрации изображений – геммологический микроскоп MoticGM-168 с высококачественной фотокамерой Canon.

Мы впервые наблюдали «сгоревший» кристалл алмаза. На рис. 2.20, 2.21 приведены изображения ограненного алмаза через трое суток после двадцатиминутного облучения солнечным светом. Почему «сгоревший»? Судите сами. Все грани, кроме двух, с цветами побежалости одного спектра напоминают брошенную в костер алюминиевую фольгу. Все они сжались, деформировались, покорежились. Это какая же энергия выделилась, чтобы так изувечить поверхность кристалла? Алмаз же все-таки…

Через оставшиеся две прозрачные полированные грани хорошо видна внутренняя, чистая как слеза структура алмаза. Она, по всей видимости, и была тем генератором, который «выплеснул» такой мощный импульс энергии, который привел к трансформации всей поверхности алмаза.

Кроме двух граней…

Почему эти две грани остались полированными? Почему трещина опустилась ниже к основанию, стала толще, «оплавилась» и расширилась? Почему проявились грани от первой огранки? Если кристалл каким-то образом «запомнил» систему плоскостей первой огранки, на которую мы наложили со сдвигом на ребра вторую огранку, то почему количество «проявившихся» плоскостей равно 11, а не 16?

Рис. 2.20. Вид сверху (а) кристалла алмаза после облучения солнечным светом. Хорошо видны две прозрачные полированные грани. Вид кристалла сбоку (б). Видна трещина и «проваленные» грани

Рис. 2.21. Нижняя часть кристалла

Вопросов много, и сегодня на них нет ответа. Особенно поразило состояние плоской поверхности нижней части кристалла (см. рис. 2.21).

Нижняя часть кристалла до воздействия представляла собой плоскую прозрачную полированную поверхность. После эксперимента с солнечным светом она покрылась слившимися «пупырышками», которые образовали совершенно непонятный, но четко фиксируемый рисунок необычной морфологии поверхности – поверхности, сформированной круглыми «пупырышками» с элементами элегантного кубизма в своем общем дизайне.

А вид и структура люминесценции этого кристалла в потоке ультрафиолетового света вообще поставили в тупик видавших многое специалистов-алмазников (рис. 2.22).

Короче – одни вопросы…

Рис. 2.22. Люминесценция алмаза в ультрафиолетовом свете