ЭЛЕКТРОМАГНИТ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СТРУКТУРИРОВАННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТЖИГА КРИСТАЛЛОВ БЕРИЛЛА И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 2000 года по МПК H01F5/00 H01F7/00 F27B5/06 C30B33/00 H01L21/47 

Изобретение относится к термообработке кристаллов и может быть использовано в ювелирной промышленности.

Известно устройство для создания однородного магнитного поля, содержащее три однослойные катушки последовательно и согласно соединенные друг с другом с образованием общей обмотки устройства. Катушки равномерно намотаны на цилиндрические элементы с наклонными торцами, которые соединены в общий каркас для обмотки ( а.с. N 1361642 от 5.02.86, МПК H 01 F 5/00, Б.И. N 47, 1987 г. ).

Недостатком устройства является то, что им невозможно создать структурированное магнитное поле.

Известна печь с регулируемым обогревом, внутренний объем печи обогревается рядом нагревателей, расположенных перпендикулярно продольной оси печи и обеспечивающих регулируемые перепады температур. Печь содержит ряд теплопроводящих кольцевых элементов, разделенных теплоизоляционными прослойками и нагревательные элементы, соединенные с теплопроводными элементами. Печь оборудована соединительным устройством для скрепления прослоек, теплопроводных и нагревательных элементов и регулирующим устройством для подведения питания к нагревательным элементом ( патент США N 4423516, F 27 В 5/00 27.12.83 ИСМ N 9, 1984, вып. 99).

Недостатком устройства является то, что процесс отжига приводит только к вероятной перестройке структуры и не связан с кристаллографической симметрией обрабатываемых материалов.

Известен способ термообработки монокристаллов вольфрамата кадмия. Кристаллы нагревают в вакууме со скоростью 50 - 100 град/час до 380 - 540^oC и выдерживают в течение 2 - 5 часов. Затем проводят их термообработку в кислородсодержащей атмосфере. При этом нагрев ведут со скоростью 50 - 100 град/час до 640 - 950^oC, выдержку осуществляют в течение 20 - 25 часов, а охлаждение проводят со скоростью 30 - 50 град/час ( а.с. N 1515796 от 13.01.88, МКИ C 30 B 33/00).

Недостатком способа является то, что структурные преобразования в решетке протекают ненаправленно, без регулируемой связи с кристаллической симметрией кристалла.

Наиболее близкой заявляемому электромагниту является тороидальная катушка, содержащая обмотку, равномерно намотанную по всей катушке.

Напряженность поля создается внутри замкнутой тороидальной катушки. (С. Г.Калашников "Электричество", -М.:, Наука, 1985, с. 104).

Недостаток такой катушки - создание равномерно распределенного магнитного поля, не связанного с кристаллографической симметрией.

В качестве прототипа устройства взята трубчатая печь, содержащая рабочую камеру, образованную последовательным рядом соосных нагревательных модулей, каждый из которых содержит концентрически расположенные кольцевой нагреватель и внешнее теплоизолирующее кольцо, промежуточный модуль, включающий теплопроводящую шайбу. Использованы концевые теплоизоляторы ряда модулей, термодатчики с изолированными электровыводами и блок управления нагревателями. Печь содержит теплопроводы рабочей камеры и термодатчиков, расположенные в области нагревателей, причем, теплопроводы соединены с окружающей средой ( патент N 1830132 от 22.01.91, F 27 B 5/06, БИ N 27, 1993).

Недостатком устройства является отсутствие связи с кристаллографической симметрией.

Наиболее близким к способу является способ термообработки пластин с полупроводниковыми структурами класса A3В5. Пластины размещают в контейнере, а его помещают в зону нагрева печи. Проводят продувку зоны неокисляющим газом в течение 10 минут. В дальнейшем контейнер герметизируется с помощью плавкой вставки и термообработка пластин происходит при избыточном давлении в течении 20 минут при 800^oC ( а.с. N 1304674, БИ N 23 от 20.08.96, H 01 L 21/477).

Недостатком способа является то, что структурные преобразования протекают стихийно, ненаправленно и не приводят к созданию монокристаллических структур, т.е. величина блоков практически не меняется.

Задача предполагаемых изобретений - восстановление природных свойств естественных кристаллов из отбракованного сырья и увеличение выхода годных к использованию кристаллов.

Для условий эволюций структуры естественных кристаллов использован электромагнит для создания структурированного магнитного поля. Он содержит обмотку, размещенную на тороидальной катушке. Внутренний и внешний радиусы катушки относятся как R1 : R2 = 1 : 2. Обмотка состоит из трех последовательно соединенных секторов. Сектора уложены на тороидальную катушку по образующей поверхности тора. Ширина секторов обмотки на торе относится к ширине зон, свободных от обмотки, по "золотому сечению"- 3 : 5.

На фиг. 1 - общий вид электромагнита с тремя секторами.

На фиг. 2-3 - форма образующей тора.

На фиг. 4 - тор с выбранным соотношением Rl : R2 = 1 : 2.

На фиг. 5 - форма образующей тора и направление силовых линий P, вид сбоку.

На фиг. 6 - форма образующей тора, вид сверху и направление условных линий Н.

На фиг. 7 - структура магнитного поля в центральном секторе тора.

На фиг. 8 - различное расположение образцов в поле центрального сектора тора.

На фиг. 9 - устройство для отжига кристаллов берилла.

В электромагните (фиг. 1) в качестве каркаса использована тороидальная катушка 1, на которой расположена токоведущая обмотка, состоящая из трех последовательно соединенных секторов 2. Каждый сектор представляет из себя образующую поверхности тора, расположенную по траектории движения точки на поверхности тора, возникающую в результате полного оборота точки вокруг внутренней и внешней осей тора одновременно и с одинаковой угловой скоростью. Три сектора расположены на торе, создавая ось симметрии третьего порядка в его центре.

Для создания структурированного магнитного поля на тороидальную катушку 1 подают постоянный ток i, пропуская его по токоведущим обмоткам. Сектора обмотки 2 расположены на тороидальной катушке симметрично и по образующей тора а (фиг. 2-3). При пропускании по обмотке постоянного тока возникает постоянное магнитное поле, направление силовых линий H которого показано на фиг. 5, вид сбоку и на фиг. 6, вид сверху.

На фиг. 7 показана структура магнитного поля в центральном секторе тора при пропускании тока i по трем симметрично расположенным образующим. Такая структура магнитного поля соответствует классу симметрии кристаллической решетки берилла и в совокупности с другими факторами создает предпосылки для эволюции дефектной структуры, в сторону идеальной симметрии берилла.

На фиг. 8 - различное расположение образцов A, B, C, D, E в поле центрального сектора тора и ширина секторов обмотки S1, и ширина S2 зон, свободных от обмотки. При таком расположении обмотки тороидальная катушка приобретает ось симметрии третьего порядка. Вектора напряженности магнитного поля вокруг секторов приобретают угловые характеристики, тождественные угловым характеристикам идеальных траекторий движения частиц внутри кристаллов. В результате действия структурированного магнитного поля на решетчатую структуру кристаллов минералов, находящихся в рабочей камере, происходит выправление симметрии кристаллической решетки и приближение ее к идеальной.

Поставленная задача достигается с помощью устройства для отжига кристаллов, выполненного в виде цилиндрической печи, содержащей теплоизолирующий корпус, нагреватель, источник питания, а в рабочую камеру, заполненную образцами, помещен электрод. Нагреватель выполнен немагнитным в виде бифилярной обмотки вокруг рабочей камеры. Электромагнит содержит тороидальную катушку с токоведущими витками, расположенными по тору тремя секторами.

На фиг. 9 изображено устройство для отжига кристаллов берилла.

Устройство содержит теплоизолирующий корпус печи 3, бифилярную обмотку нагревателя 4, рабочую камеру 5 с электродом 6, электромагнит, выполненный в виде тороидальной катушки 1 с токоведущими обмотками, состоящими из трех последовательно соединенных секторов 2. Образцы 7 размещают в рабочей камере 5.

Питание на бифилярную обмотку нагревателя печи 4 и его автоматическое регулирование осуществляют источником питания (на фиг. 9 не показан).

Обмотка тороидальной катушки 1 питается от источника постоянного тока (не показан), величина которого регулируется реостатом. Напряжение на электрод 6 подается источником высокого напряжения и также регулируется реостатом (не показан).

Образцы минералов 7 помещают в рабочую камеру 5, располагая ось симметрии кристаллов L6 горизонтально. Подают напряжение. Печь плавно нагревают. Одновременно с нагревом образцы экспонируют в магнитном и электростатическом полях, создаваемых электромагнитом в виде тороидальной катушки с токоведущими обмотками и электродом. Поля регламентируют движение заряженных частиц в кристаллической решетке по траекториям, соответствующим закону симметрии.

Для создания магнитного поля на электромагнит подают постоянный, плавно возрастающий за 1-2 минуты от 0-25 ампер ток. Одновременно напряженность электрического поля в печи увеличивают от 0 до 3000 В/м. Температура в печи возрастает со скоростью 5-15 град/час до температуры 450-500^oC. Образцы выдерживаются при этой температуре 24-72 часа в зависимости от размеров с последующим охлаждением в печи с той же скоростью 5-15 град/час.

В течение всего периода термообработки минералов напряженность магнитных и электрических полей остается постоянной. Падение напряженности полей до 0 в конце термообработки происходит также плавно за 1-2 минуты.

Поставленная задача осуществляется следующим способом.

Поверхность образцов очищают от загрязняющих примесей породы, глин, слюд в растворе бихромата калия в концентрированной соляной кислоте при комнатной температуре. Промывают дистиллированной водой. Затем сушат в сушильном шкафу, нагревая, причем время и температура нагрева зависят от размеров образцов (табл. 1). После этого образцы подвергают протонированию в расплаве бензойной кислоты и отжигают в печи с одинаковой скоростью подъема и спуска температуры при одновременном экспонировании в постоянном магнитном и электростатическом полях.

Способ выполнен на образцах кристаллов берилла.

Поверхность образцов кристаллов берилла очищают от загрязняющих примесей породы, глин, слюд в 15% растворе бихромата калия в концентрированной соляной кислоте в течение 24 часов при комнатной температуре, промывают дистиллированной водой, сушат в сушильном шкафу при 105-110^oC в течение 24-72 часов в зависимости от размеров образцов. Затем подвергают протонированию в расплаве бензойной кислоты при температуре 130-140^oC в течение 24-72 часов в зависимости от размеров образцов. Затем далее образцы помещают в печь и отжигают при температуре 450-500^oC в течение 24-72 часов со скоростью подъема и скоростью спуска температуры 5-15 град/час. Одновременно их экспонируют в постоянном магнитном поле напряженностью 400-450 А/м и электростатическом поле напряженностью 3000 В/м. Охлажденные образцы помещают в дистиллированную воду на 72-120 часов и после этого сравнивают с эталоном.

При температуре сушки меньше 105^oC вода остается в образцах и впоследствии может разорвать кристаллы, повышенная температура - выше 120^oC - в этот период не нужна, т.к. может вызвать растрескивание образца.

Поскольку протоны движутся с определенной скоростью, то при выдержке образцов в расплаве бензойной кислоты менее 24 часов не происходит насыщение структуры протонами, при выдержке более 72 часов протоны могут нарушить структурную решетку кристаллов.

При температуре отжига меньше 450^oC не достигается эффективного воздействия на структуру кристалла, а при большей, чем 500^oC, возможно разрушение структуры кристаллов.

При меньших значениях электростатического поля эффект преобразования решетки в кристаллах слабый, при повышении значений больше 3000 В/м возможны микропробои в кристаллической решетке. Последовательность всех вспомогательных операций приводит кристаллическую решетку в подвижное состояние без разрушения структуры кристалла.

В результате комплексного воздействия дестабилизирующих решетку кристаллов берилла факторов - температуры, электростатического поля, протонирования и последующего стабилизирующего влияния магнитного поля, решетчатая структура кристаллов берилла приобретает свойства, характерные для высокосовершенных кристаллов - симметричность, что выражается в возрастании прозрачности, однородности окраски и ее равномерность, яркости оттенков.

Таким образом, предлагаемые электромагнит, устройство для отжига кристаллов и способ его работы позволяют осуществлять облагораживание тех кристаллов берилла низкого и среднего качества, решетчатая структура которых допускает эволюцию в сторону повышению качества. Облагороженные кристаллы берилла могут быть использованы в ювелирной промышленности, а не идти в отвал из-за низкого качества, несоответствия требованиям поделочных камней, минералов, кристаллов.

Изобретение относится к термообработке кристаллов и может быть использовано в ювелирной промышленности. Электромагнит содержит обмотку, размещенную на тороидальной катушке, радиусы которой относятся как R₁ : R₂ = 1 : 2, последовательно соединенные сектора уложены на катушку по образующей поверхности тора, их ширина с шириной зон, свободных от обмотки, относится по "золотому сечению" S₁ : S₂ = 3 : 5. В устройстве для отжига кристаллов имеется электромагнит, теплоизолирующий корпус печи, рабочая камера с помещенными в ней образцами и электродом и источник питания. Нагреватель выполнен немагнитным в виде бифилярной обмотки. Кристаллы берилла очищают от загрязняющих примесей, промывают в дистиллированной воде, сушат в сушильном шкафу при 105 - 120^oC в течение 24 - 72 ч. Затем подвергают протонированию в расплавленной бензойной кислоте при 130 - 140°С. Далее образцы помещают в рабочую камеру печи и ведут нагрев со скоростью 5 - 15 град/ч до 450 - 500°С с последующей выдержкой при этой температуре 24 - 72 ч. Образцы охлаждают в печи со скоростью 5 - 15 град/ч до комнатной температуры. Одновременно с нагревом в печи образцы экспонируют в постоянном магнитном поле напряженностью 400 - 450 А/м и электростатическом поле напряженностью 3000 В/м. После охлаждения образцы выдерживают в воде 72 - 120 ч и сравнивают с эталоном. Технический результат заключается в восстановлении природных свойств естественных кристаллов из отбракованного сырья и увеличение выхода годных и использованных кристаллов. 3 н.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

1. Электромагнит для создания структурированного магнитного поля, содержащий обмотку, размещенную на тороидальной катушке, отличающийся тем, что внутренний и внешний радиусы относятся как R₁ : R₂ = 1 : 2, обмотка состоит из трех последовательно соединенных секторов, каждый из которых уложен на катушку по образующей поверхности тора, а ширина секторов обмотки на торе соотносится с шириной зон, свободных от обмотки по "золотому сечению": S₁ : S₂ = 3 : 5. 2. Устройство для отжига кристаллов, содержащее теплоизолирующий корпус печи, нагреватель, рабочую камеру, источник питания, отличающееся тем, что оно снабжено электромагнитом по п.1 и электродом, нагреватель выполнен немагнитным в виде бифилярной обмотки, а электрод расположен в рабочей камере, заполненной образцами. 3. Способ отжига кристаллов берилла, включающий нагрев, выдержку, охлаждение, отличающийся тем, что кристаллы берилла очищают от загрязняющих примесей, промывают в дистиллированной воде, сушат в сушильном шкафу при 105 - 120^oС в течение 24 - 72 ч в зависимости от величины образцов, подвергают протонированию в расплавленной бензойной кислоте при 130 - 140^oС, нагрев в печи ведут со скоростью 5 - 15 град/ч до 450 - 500^oС с последующей выдержкой при этой температуре в течение 24 - 72 ч с дальнейшим охлаждением с той же скоростью до комнатной температуры, одновременно образцы экспонируют в постоянном магнитном поле напряженностью 400 - 450 А/м и электростатическом поле напряженностью 3000 В/м, выдерживают в воде 72 - 120 ч и визуально сравнивают с эталоном.