устройство для обработки алмазов

Формула изобретения

Устройство для обработки алмазов, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник протонов, обрабатываемый алмаз и датчик газоанализатора, отличающееся тем, что источник протонов генерирует пучок протонов с величиной тока 3 А, яркостью 10-20 А/(сммрад)² диаметром области с одинаковой плотностью тока пучка 30-60 мм, а между источником протонов и обрабатываемым алмазом в вакуумной камере последовательно установлены ускоряющий электрод, газонепроницаемая диафрагма, отделяющая источник протонов от обрабатываемого алмаза и выполненная с регулируемым по размеру и форме отверстием, затянутым газонепроницаемой пленкой, пропускающей пучок ускоренных протонов, и замедляющий электрод.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии обработки минералов, поделочного и ювелирного камня.

Наиболее близким аналогом является устройство технической и художественной разметки поверхности и объема минеральных объектов и алмаза по способу облучения их пучком протонов, содержащее вакуумную камеру, источник протонов, генерирующий пучок заряженных частиц малого диаметра, датчик газоанализатора, регулирующий режим работы источника протонов, систему растровой строчной развертки этого пучка и обрабатываемый алмаз [1].

В устройстве для нанесения технической и художественной разметки поверхности и объема минеральных объектов и алмаза, являющемся наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, рабочий диаметр протонного пучка не превосходит 1 мм [1], и оно не приспособлено для равномерной и высокопроизводительной обработки объектов с обрабатываемой площадью, превышающей поперечное сечение пучка. Плотность частиц в пучке распределена неравномерно и спадает по диаметру от центра к периферии. При многократном, последовательном растровом сканировании площади минерала таким пучком каждая следовая полоса имеет наибольшее углубление в центре протонного пучка, и следовые полосы развертки пучка не совпадают друг с другом, что не позволяет обеспечить неволнистый профиль обрабатываемой поверхности минерала. Известно, что качество и скорость обработки поверхности алмаза протонным пучком зависят не только от величины тока пучка, распределения плотности частиц, его яркости, но и от ряда других факторов, в том числе от состояния минерала, его ориентации относительно траектории протонного пучка и т.д. С учетом этих факторов качество и скорость обработки минерала определяются параметрами протонного пучка, которые регулируются при помощи датчика газоанализатора, регистрирующего величину потока различных газов и углеводородов, в том числе и СН₄, выделяющихся при взаимодействии протонов пучка с кристаллической решеткой алмаза [1]. Размещение в аналоге источника протонов и обрабатываемого объекта в неразделенной по газу вакуумной камере не позволяет регистрировать газовыделение непосредственно из алмаза, поскольку к этому потоку неизбежно примешивается поток сопутствующих примесей, газа и углеводородов из источника протонов. Наличие паразитных примесей в области датчика газоанализатора, величина которых в некоторых случаях может значительно превосходить газовыделение непосредственно из обрабатываемого алмаза, не позволяет оптимальным образом регулировать параметры протонного пучка, ухудшая качество обработки минерала, и препятствует увеличению производительности установки путем применения сильноточных источников протонов, способных формировать яркий пучок заряженных частиц с большим сечением, например, площадь которого превышала бы геометрические размеры наиболее крупных из известных алмазов, поскольку работа таких источников сопровождается наличием паразитного газового потока, в том числе различного типа углеводородов и СН₄, регистрируемого датчиком газоанализатора в тем больших количествах, чем интенсивнее протонный пучок, генерируемый источником.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для обработки алмазов, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник протонов, обрабатываемый алмаз и датчик газоанализатора, регулирующий режим работы источника протонов, установлен сильноточный источник протонов, который генерирует пучок протонов с величиной тока 3 А, яркостью 10-20 А/(сммрад)² и диаметром области с одинаковой плотностью тока пучка 30-60 мм, а между источником протонов и обрабатываемым алмазом в вакуумной камере установлены в следующей последовательности ускоряющий электрод, газонепроницаемая диафрагма с регулируемым по размеру и форме отверстием, затянутым газонепроницаемой пленкой, пропускающей пучок ускоренных протонов, отделяющая источник протонов от обрабатываемого образца, замедляющий электрод.

Технический результат, возникший в результате предложенных конструктивных изменений, заключается в том, что в результате применения газонепроницаемой диафрагмы с регулируемым по размеру и форме отверстием, затянутым газонепроницаемой пленкой, установленной именно предложенным способом, стало возможным регистрировать при помощи датчика газоанализатора только поток газа, выделяющегося из обрабатываемого алмаза, что позволило улучшить регулировку параметров пучка протонов и использовать в устройстве для обработки алмазов сильноточные источники протонов, генерирующие интенсивные пучки заряженных частиц высокой яркости, у которых геометрические размеры области с одинаковой плотностью тока пучка в несколько раз превосходят геометрические размеры известных алмазов, что способствовало повышению скорости и чистоты обработки поверхности алмаза. Стала возможной одновременная обработка нескольких алмазов, суммарная площадь обрабатываемой поверхности у которых не превосходит геометрические размеры области с одинаковой плотностью тока пучка, что при больших размерах этой области также способствовало повышению производительности устройства для обработки алмазов.

В результате предлагаемых конструктивных изменений в устройстве для обработки алмазов возникает новое физико-техническое свойство, становится возможным обрабатывать всю требуемую поверхность алмаза интенсивным пучком протонов с равномерным распределением плотности частиц в пучке без применения процедуры его многократного сканирования в условиях повышенной точности установки и регулирования рабочих параметров протонного пучка датчиком газоанализатора, что способствует повышению производительности и качества обработки алмазов.

Анализ отличительных признаков и проявляемых ими свойств, обеспечивающих положительный эффект, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.

Предлагаемое устройство для обработки минералов показано на чертеже. Данная конструкция была адаптирована для шлифовки, полировки и огранки монокристаллов алмаза и его искусственных заменителей (окись циркония, иттрий-алюминиевый гранат и др.) по способу обработки минерала протонным пучком [1] .

Изобретение состоит из вакуумной камеры 1, в которой размещены сильноточный источник протонов 2, генерировавший в экспериментальном образце устройства для обработки минералов пучок протонов с током до 3 А, яркостью 10-20 А/(сммрад)² и диаметром области одинаковой плотности тока по сечению пучка 30-60 мм [2] , ускоряющий электрод 3, который позволяет ускорять протонный пучок в диапазоне энергий, регулируемом от 0 да 100 кэВ, и который может перемещаться на продольной оси, изменяя расстояние до источника протонов, газонепроницаемая диафрагма 4 (в экспериментальном образце она была выполнена из стали) с регулируемым по размеру и форме отверстием, затянутым газонепроницаемой пленкой 5, пропускающей ускоренный пучок протонов, замедляющий электрод 6, который может перемещаться вдоль продольной оси вакуумной камеры и находится под электрическим потенциалом, замедляющим до требуемой энергии (0,2-1,0 кэВ) протонный пучок, направленный на размещенный в противоположном от источника протонов конце вакуумной камеры 1 обрабатываемый алмаз 7 и датчик газового анализатора 8, регулирующий широко известными способами режим работы источника протонов в зависимости от газового потока, выделяющегося в результате действия протонного пучка на обрабатываемый алмаз. Исходные параметры величины тока, яркости, диаметра пучка и диаметра области с одинаковой плотностью тока в протонном пучке определяются физико-техническими процессами в источнике протонов и зависят от режима его работы [2]. В вакуумной камере 1 между газонепроницаемой диафрагмой 4 и замедляющим электродом 6 установлены две перемещающиеся во взаимно ортогональных направлениях экранирующие пластины с вертикальной 9 и пластина с горизонтальной 10 взаимно перпендикулярными узкими щелями, образующими подвижный коллиматор, для вырезания узкого пучка протонов с равномерным распределением плотности тока по диаметру, предназначенного для нанесения технической и художественной разметки поверхности и объема обрабатываемого минерала.

Операция шлифовки и гравировки минералов на устройстве (чертеж) для обработки алмазов производится следующим образом. Объект (монокристалл алмаза) 7 ориентируют обрабатываемой гранью перпендикулярно движению пучка протонов напротив отверстия в газонепроницаемой диафрагме 4, затянутого газонепроницаемой пленкой 5. Яркий (10-20 А/(сммрад)²) протонный пучок с большой интенсивностью заряженных частиц (ток до 3 А), плотность которых равномерно распределена по сечению пучка на диаметре 60 мм [2], полученный от источника протонов 2, ускоряют электрическим напряжением на ускоряющем электроде 3 до энергии, при которой он проходит сквозь газонепроницаемую пленку 5, затягивающую окно в газонепроницаемой диафрагме 4. В качестве газонепроницаемой пленки (толщиной до 1-5 мкм) можно использовать некоторые полимерные материалы, майлар, тефлон, пленки никеля, золота и др. При энергии протонов ускоренного пучка, изменяющейся от 0 до 100 кэВ, нижний предел толщины пленки составляет ~ 0,02 мкм (сусальное золото) и определяется способом ее получения, верхний предел толщины составляет 10 мкм и ограничен тормозной способностью ускоренных протонов. Пробег протонов R оценивается полуэмпирической формулой [3],

T = Rⁿ,

где =0,25; n~0,58 (причем здесь Т измеряется в МэВ, a R - в микронах), так что при выбранной энергии протонов пленки указанной толщины являются вполне работоспособными.

Площадь газонепроницаемой диафрагмы 4, выполненной из прочного материала (в экспериментальном образце сталь), превосходит площадь окна в ней, что способствует уменьшению газового давления на газонепроницаемую пленку 5. Эта диафрагма препятствует распространению паразитного газового потока из источника протонов (в экспериментальном образце его величина составляла несколько десятков Па л/с [3]) в зону обработки алмаза. Такая конструкция вакуумной камеры 1, в которой паразитный газ, вытекающий из источника протонов, удаляется посредством вакуумной откачки из области между источником протонов 2 и газонепроницаемой диафрагмой 4, позволяет устранить влияние образующихся в ионном источнике углеводородов на показания датчика газоанализатора, регистрирующего поток СН₄, возникающий при взаимодействии пучка Н⁺ с алмазом, по величине которого можно судить об эффективности обработки минерала. Наличие в зоне обработки алмаза достаточно высокого вакуума упрощает регистрацию скорости выделения углеводородов с поверхности обрабатываемого объекта, в зависимости от которой выбирают интенсивность протонного пучка, что позволяет стабилизировать процесс обработки и улучшает качество обработки минерала. При обработке синтетического заменителя алмаза (окиси циркония) с поверхности объекта выделяются пары воды, регистрация которых также позволяет контролировать процесс обработки.

После прохождения окна в газонепроницаемой диафрагме 4, затянутого газонепроницаемой пленкой 5, протоны тормозятся электрическим напряжением на замедляющем электроде 6 до энергии ~ 0,2-1,0 кэВ, которая соответствует оптимальным условиям обработки минерала [1], и попадают на обрабатываемый алмаз 7, осуществляя шлифовку и полировку его поверхности. Четкое изображение профиля отверстия в газонепроницаемой диафрагме 4 на обрабатываемом минерале достигается фокусировкой пучка протонов за счет изменения положения электродов 3 и 6 относительно источника протонов.

Протонный пучок, "вырезанный" фигурным отверстием в газонепроницаемой диафрагме 4, падает на алмаз или его заменитель и обрабатывает или сразу всю его поверхность, или суммарную поверхность, мозаично заполненную многими монокристаллами алмаза в случае одновременной обработки группы минералов, или наносит на обрабатываемой поверхности изображение абриса отверстия диафрагмы 4 (гравировка) сразу по всей занимаемой пучком зоне отверстия 4. Такие режимы способствуют повышению производительности обработки минералов. Применение протонного пучка с областью, в которой плотность протонов одинакова и ее геометрия перекрывает всю обрабатываемую поверхность минерала, становится возможным при использовании сильноточного источника протонов, например дуоплазматронного типа, в котором плазма образуется в результате горения электрического разряда в водороде с рабочим давлением ~ 1 мм рт.ст. [2] . Использование такого протонного пучка способствует повышению чистоты и однородности обработки поверхности, устраняет эффект волнистой поверхности, возникающий при шлифовке или полировке большой площади тонким пучком. Большая плотность тока в пучке Н^+- и его высокая яркость (в экспериментальном образце эти значения превышали 0,5 мА/мм² и 10-20 А/(сммрад)² [2]), которые можно получить, используя сильноточный источник протонов, позволяют повысить качество и скорость обработки алмаза.

Другой вариант обработки состоит в разметке объекта или в получении изображения на его поверхности методом перемещения по этой поверхности пучка с равномерной и высокой плотностью тока, размеры которого можно регулировать в широком диапазоне. На чертеже показана часть устройства, управляющая перемещением тонкого луча для воспроизведения надписи, рисунка или схемы на поверхности объекта. Экранирующая пластина 9 содержит горизонтальную (строчную) щель, а пластина 10 содержит вертикальную (кадровую) щель. Перемещение луча вдоль строки достигается движением пластины 10 с вертикальной щелью по горизонтали, тогда как перемещение луча по вертикали достигается движением по вертикали пластины 9 с горизонтальной щелью. Дополнительные степени свободы для перемещения луча достигаются согласованным с движением пластин 9 и 10 движением объекта 7, например вращением, качанием и т.п.

Физика обработки, например окиси циркония и других минералов, заключается не в образовании летучих углеводородов типа СН₄, а в химической реакции восстановления металла при взаимодействии его окиси на поверхности объекта с водородом протонного пучка, в результате чего могут образовываться кислород, водород, их соединения и др. элементы, на регистрацию которых настраивается датчик газоанализатора [1].

Предлагаемое изобретение отличается от известных аналогов простотой конструкции, надежностью работы, высокой производительностью и качеством обработки алмазов.

Источники информации

1. Патент на изобретение 2133195, 1999 (приоритет от 19.12.95). Способ технической и художественной разметки поверхности и объема минеральных объектов (варианты) // Радько Л.В.

2. Кондратьев Б.К., Турчин В.И. Комбинированный источник ионов. ПТЭ, 3, 1994, с.106-111.

3. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика (кн. 1). - М.: Энергоатомиздат,1993. С.309.