ВЕЩЕСТВО ЗАЩИТНОЙ МЕТКИ, СОДЕРЖАЩЕЕ МИКРОКРИСТАЛЛЫ АЛМАЗА С АКТИВНЫМИ NV-ЦЕНТРАМИ, ЛЕГИРОВАННЫЕ ИЗОТОПАМИ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ, СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ПОДДЕЛОК И ПРОВЕРКИ ПОДЛИННОСТИ ИЗДЕЛИЙ С ПОМОЩЬЮ УКАЗАННОЙ МЕТКИ Российский патент 2016 года по МПК B41M5/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области защиты от подделок банкнот, ценных бумаг, документов и иных изделий при помощи нанесения на них защитных меток, обладающих особыми физическими свойствами.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно вещество, для нанесения защитных меток [патент РФ №2411133, опубл. 10.02.2011, ООО "НОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ", МПК B41M 5/00, G06K 1/12 C1], представляющее собой суспензию, содержащую нанокристаллы алмаза с центрами азот-вакансия (NV-центрами) и жидкий носитель, которое является ближайшим по составу к предлагаемому веществу (прототип).

Из патента РФ №2411133 также известен способ приготовления вещества для нанесения меток подлинности банкнот, ценных бумаг и документов, содержащего нанокристаллы алмаза с активными NV-центрами, включающий облучение алмазов электронным пучком с последующим отжигом, измельчение указанных кристаллов в порошок с последующей химической обработкой и введение полученного порошка алмазов с NV-центрами в жидкий носитель. Известный способ является ближайшим по количеству и характеру стадий к предлагаемому способу приготовления вещества (прототип).

Известен также способ защиты документов, ценных бумаг и изделий с помощью нанокристаллов алмаза с активным NV центром [патент РФ №2357866, опубл. 10.06.2009, ООО "НОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ", МПК В41М 5/00], в котором в защищаемый документ, ценную бумагу или изделие вводят или наносят флюоресцирующую под действием внешнего излучения метку, которая представляет собой нанокристалл алмаза с активным NV центром. Известный способ является ближайшим по количеству и характеру стадий к предлагаемому способу защиты от подделок (прототип).

В известной технологии, раскрытой в указанных выше источниках информации, в качестве защитного признака используется квантовый эффект Двойного Радиооптического Резонанса (ДРОР), который из всех твердых тел присущ только отрицательно заряженным азотно-вакансионным центрам (далее NV центры) в алмазе. Хотя данный эффект известен в науке давно (напр., А. Gruber, A. Drabenstedt, С. Tietz, L. Fleury, J. Wrachtrup, С. von Borczyskowski, Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers, Science 276 (1997), p. 2012), в качестве защитного признака он впервые был применен только в известной технологии. Однако в известной технологии согласно прототипу контролируется только лишь наличие или отсутствие в защитной метке (на поверхности защищаемого изделия) эффекта ДРОР на одной определенной радиочастоте (2,87 ГГц). Метки, созданные по прототипу, на всех защищаемых изделиях идентичны, т.е. имеют один и тот же неизменяемый защитный признак. Это существенно ограничивает область применения технологии, т.к. зачастую необходимо метить различными метками различные типы изделий, различные партии, например, выпущенные в разные периоды, и т.п. Также различные производители стремятся защищать свои изделия метками, отличающимися от применяемых другими производителями. Кроме того, злоумышленникам достаточно один раз раскрыть указанный способ и изготовить большое количество контрафактного активного вещества защитной метки, чтобы затем наносить его на любую контрафактную продукцию, которую нельзя будет отличить от оригинальной.

Таким образом, главный недостаток известной по прототипу технологии - невозможность варьирования защитного признака и, как следствие, ограниченная область применения и низкая степень защиты от подделок.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Общей задачей группы изобретений является создание новой технологии защиты от подделок банкнот, ценных бумаг, документов и иных изделий, имеющей расширенную область применения и одновременно высокую степень защиты от подделок, а именно создание нового вещества защитной метки, содержащего микрокристаллы алмаза с активными NV-центрами, легированные изотопами, создание нового способа его приготовления и нового способ защиты от подделок и проверки подлинности изделий с помощью новой метки.

Общим техническим результатом, достигаемым при использовании изобретений, является расширение области применения при одновременном повышении степени защиты от подделок.

Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются за счет нового способа получения, по меньшей мере, двух типов активного вещества метки для защиты изделий от подделки, содержащего микрокристаллы алмаза с активными NV-центрами, дифференцируемых по форме двойного радиооптического резонанса, в котором снимают зависимость формы двойного радиооптического резонанса синтезированных алмазов с отношением концентраций изотопов ¹³С и ¹²С от 0,011 до 1 от указанного отношения концентраций, разделяют указанную зависимость на не менее чем два непересекающихся диапазона, соответствующих указанным типам, для каждого из указанных типов синтезируют исходные алмазы с отношением концентраций изотопов ¹³С и ¹²С, попадающим в соответствующий диапазон, облучают их пучком частиц высокой энергии с последующим отжигом и измельчают в порошок.

В одном из альтернативных вариантов осуществления изобретения синтезируют и используют для снятия зависимости формы двойного радиооптического резонанса алмазы, дополнительно содержащие изотопы ¹⁵N и ¹⁴N с отношением концентраций от 0,00421 до 1.

Поставленная задача и требуемый технический результат также достигаются за счет нового способа защиты изделий от подделки с помощью микрокристаллов алмаза с активными NV центрами, заключающегося в том, что в(на) защищаемое изделие вводят (наносят), по меньшей мере, одно активное вещество метки, полученное указанным выше новым предлагаемым способом.

Поставленная задача и требуемый технический результат также достигаются за счет нового способа проверки подлинности изделий, защищенных от подделки посредством нового способа, предложенного в предыдущем абзаце, заключающегося в том, что измеряют и анализируют форму спектра двойного радиооптического резонанса вещества метки, нанесенной на изделие, на основании которой определяют принадлежность вещества метки к одному из указанных типов.

Поставленная задача и требуемый технический результат также достигаются за счет нового активного вещества меток с контролируемой формой спектра двойного радиооптического резонанса для защиты изделий от подделки на основе микрокристаллов алмаза с активными NV-центрами с отношением концентраций изотопов ¹³С и ¹²С от 0,011 до 1.

В одном из альтернативных вариантов осуществления изобретения активное вещество меток с контролируемой формой спектра двойного радиооптического резонанса для защиты изделий от подделки на основе микрокристаллов алмаза с активными NV-центрами дополнительно содержит изотопы ¹⁵N и ¹⁴N с отношением концентраций от 0,00421 до 1.

Поставленная задача и требуемый технический результат также достигаются за счет нового способа получения, по меньшей мере, двух типов активного вещества метки для защиты изделий от подделки, содержащего микрокристаллы алмаза с активными NV-центрами, дифференцируемых по форме двойного радиооптического резонанса, в котором снимают зависимость формы двойного радиооптического резонанса синтезированных алмазов, содержащих атомы азота в позиции замещения с отношением концентраций изотопов ¹⁵N и ¹⁴N от 0,00421 до 1 от указанного отношения концентраций, разделяют указанную зависимость на не менее чем два непересекающихся диапазона, соответствующих указанным типам, для каждого из указанных типов синтезируют исходные алмазы, содержащие атомы азота в позиции замещения с отношением концентраций изотопов ¹⁵N и ¹⁴N, попадающим в соответствующий диапазон, облучают их пучком частиц высокой энергии с последующим отжигом, измельчают в порошок.

В одном из альтернативных вариантов осуществления изобретения синтезируют и используют для снятия зависимости формы двойного радиооптического резонанса алмазы, дополнительно содержащие изотопы ¹³C и ¹²C с отношением концентраций от 0,011 до 1.

Поставленная задача и требуемый технический результат также достигаются за счет нового способа защиты изделий от подделки с помощью микрокристаллов алмаза с активными NV центрами, заключающегося в том, что в(на) защищаемое изделие вводят (наносят), по меньшей мере, одно активное вещество метки, полученное новым предложенным в предыдущем абзаце способом.

Поставленная задача и требуемый технический результат также достигаются за счет нового способа проверки подлинности изделий, защищенных от подделки посредством нового способа, предложенного в предыдущем абзаце, заключающегося в том, что измеряют и анализируют форму спектра двойного радиооптического резонанса вещества метки, нанесенной на изделие, на основании которой определяют принадлежность вещества метки к одному из указанных типов.

Поставленная задача и требуемый технический результат также достигаются за счет нового активного вещества меток с контролируемой формой спектра двойного радиооптического резонанса для защиты изделий от подделки на основе микрокристаллов алмаза с активными NV-центрами с отношением концентраций изотопов ¹⁵N и ¹⁴N от 0,00421 до 1.

В одном из альтернативных вариантов осуществления изобретения активное вещество меток с контролируемой формой спектра двойного радиооптического резонанса для защиты изделий от подделки на основе микрокристаллов алмаза с активными NV-центрами дополнительно содержит изотопы ¹³C и ¹²C с отношением концентраций от 0,011 до 1.

Существенным отличием предлагаемого вещества метки, способа его изготовления, а также способа защиты от подделок и проверки подлинности изделий с помощью новой метки (далее все вместе как - «предлагаемая технология») является использование при производстве алмазного сырья для защитной метки изотопов углерода ¹³C и/или азота ¹⁵N, которые встраиваются в кристаллическую решетку алмаза. Из научной литературы [см., напр., F. Jelezko and J. Wrachtrup, Single defect centres in diamond: A review // phys. stat. sol. (a). 2006. V. 203. No. 13, p. 3207-3225] известно, что присутствие атомов изотопа ¹³C вблизи NV центра изменяет частоту и форму (спектр) его ДРОР, причем по-разному в зависимости от расстояния между ними. К изменению ДРОР также приводит замена в составе NV центра обычного изотопа ¹⁴N на изотоп ¹⁵N. Концентрация указанных изотопов в составе алмаза определяет долю NV центров с измененным ДРОР и соответственно их вклад в результирующий измеряемый ДРОР. Под «NV центром» в контексте данного описания следует понимать отрицательно заряженный NV центр. Варьируя их концентрацию, можно создать ряд градаций спектра ДРОР, каждая из которых может быть идентифицирована при детектировании как отдельный уникальный защитный признак. Кроме того, возможно применение ¹³C и ¹⁵N как по отдельности, так и совместно, причем с варьируемыми концентрациями, что дает большой набор возможных вариантов защитного признака. При этом на сегодня неизвестны иные твердые вещества, которые меняют интенсивность флюоресценции под действием СВЧ поля определенной частоты. Таким образом, подделка данной метки возможна только путем повторения всех этапов технологической цепочки.

Вместо указанных изотопов возможно применение других веществ, атомы которых, встраиваясь в кристаллическую решетку алмаза, приводят к искажению энергетических уровней NV центров и к изменению спектра ДРОР.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 - (1) неискаженный спектр ДРОР; (2) ДРОР в присутствие одного атома изотопа ¹³C вблизи NV центра; (3) ДРОР с атомом изотопа ¹⁵N в составе NV центра [F. Jelezko and J. Wrachtrup, Single defect centres in diamond: A review // phys. stat. sol. (a). 2006. V. 203. No. 13. Р. 3207-3225];

На Фиг. 2 изображена принципиальная структурная схема устройства для детектирования меток.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Активным веществом меток, несущим защитный признак, являются микроскопические искусственные кристаллы алмаза, созданные по специальной технологии. Предлагаемая технология использует в качестве защитного признака квантовый эффект Двойного Радиооптического Резонанса (ДРОР), который из всех твердых тел присущ только азотно-вакансионным центрам (NV центрам) в алмазе. NV центр - это дефект кристаллической решетки алмаза, представляющий собой вакансию (отсутствие атома углерода) в кристаллической решетке алмаза, связанную с атомом азота, находящимся рядом в позиции замещения. Эффект ДРОР обусловлен структурой энергетических уровней NV центра и большим временем жизни спиновых подуровней. Эффект ДРОР проявляется следующим образом: при постоянном оптическом возбуждении NV центра происходит поглощение возбуждающего излучения, устанавливается стационарное распределение населенностей его уровней и стационарная эмиссия собственного оптического излучения, а при одновременном возбуждении NV центра СВЧ полем определенной частоты происходит изменение населенности уровней и изменение его эмиссии [см., напр.: Marcus W. Doherty, The nitrogen-vacancy colour centre in diamond // Physics Reports. 2013. V. 528, pp. 1-45]. При этом предлагаемая технология использует эффект ДРОР, который изменен по сравнению с таковым в обычном алмазе с естественным изотопным составом за счет присутствия вблизи NV центра атомов изотопов углерода ¹³C и/или азота ¹⁵N. Атом изотопа ¹³C, находящийся в решетке алмаза вместо атома ¹²C [см., напр.: F. Jelezko and J. Wrachtrup, Single defect centres in diamond: A review // phys. stat. sol. (a). 2006. V. 203. No. 13, p. 3207-3225], или атом ¹⁵N в составе самого центра [см., напр.: J.R. Rabeau and P. Reichart, Implantation of labelled single nitrogen vacancy centers in diamond using 15N //APPLIED PHYSICS LETTERS 2006. V. 88. P. 023113] взаимодействует с NV центром и вызывает смещение его энергетических уровней, что вызывает смещение линий ДРОР в СВЧ диапазоне (фиг. 1). При этом положение линий ДРОР конкретного NV центра зависит от расстояния до атома ¹³C [см., напр.: Benjamin Smeltzer, Lilian Childress and Adam Gali, 13C hyperfine interactions in the nitrogen-vacancy centre in diamond // New Journal of Physics. 2011. V. 13. P. 025021].

Указанные изотопы являются стабильными (нерадиоактивными) и доступны на открытом рынке. Концентрация указанных изотопов в составе искусственного алмаза определяет долю NV центров с измененным ДРОР и соответственно их вклад в результирующий измеряемый ДРОР. Варьируя их концентрацию, можно создать ряд градаций спектра ДРОР, каждая из которых может быть идентифицирована при детектировании как отдельный уникальный защитный признак. Кроме того, возможно применение ¹³C и ¹⁵N как по отдельности, так и совместно, причем с варьируемыми концентрациями, что дает большой набор возможных вариантов защитного признака, и устраняет главный недостаток известной ранее технологии - невозможность варьирования защитного признака.

Способ изготовления активного вещества защитной метки включает в себя следующие этапы.

1. Производство синтетических алмазов из сырья, содержащего указанные изотопы в необходимой концентрации.

Алмазы могут синтезироваться с помощью хорошо известных методов химического осаждения из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD-процесс) и метода выращивания при высоком давлении и высокой температуре (high-pressure high-temperature, НРНТ), или с помощью иного метода. Специалистам известно, что атомы изотопа ¹³C, как правило, присутствующие в исходном сырье в естественной концентрации ~1% по отношению к общему количеству углерода, встраиваются в решетку алмаза наравне с атомами ¹²C, т.к. обладают практически идентичными химическими свойствами. Также специалистам известно, что атомы азота (как ¹⁴N, так и ¹⁵N), присутствующие в зоне роста алмазов при обоих методах (обычно в виде остаточного атмосферного воздуха), эффективно встраиваются в кристаллическую решетку вместо углерода (атом азота в позиции замещения). Атомы ¹⁴N в позиции замещения обычно являются основным «загрязнителем» синтетических алмазов и придают им насыщенный желто-зеленый цвет. В данной технологии присутствие атомов обоих изотопов ¹⁴N и ¹⁵N в позициях замещения в большой концентрации необходимо. Поэтому в исходном сырье специально контролируются содержания изотопов ¹⁴N и ¹⁵N, так же как ¹²C и ¹³C. Доли содержаний изотопов ¹⁵N и ¹³C по сравнению с полными количествами N и C в зоне роста алмазов могут иметь любые значения от их естественного содержания (0,00421 для ¹⁵N и 0,011 для ¹³C) до 100% в зависимости от требуемых свойств выращиваемого алмаза и применяемого метода синтеза. Указанные изотопы доступны на открытом рынке в виде различных химических соединений.

2. Создание вакансий в кристаллической решетке алмазов с помощью бомбардировки пучком частиц высокой энергии.

Используется облучение пучком частиц высокой энергии от 1 до 50 МэВ, поскольку они могут обеспечить более высокую однородность распределения вакансий (больше глубина проникновения). Из научной литературы известно, что NV центры эффективно создаются при облучении не только электронами, но и другими типами частиц высокой энергии, например, протонами [J. Botsoa et al., Optimal conditions for NV- center formation in type-1b diamond studied using photoluminescenceand positron annihilation spectroscopies, PHYSICAL REVIEW В 84, 125209 (2011) DOI: 10.1103/PhysRevB.84.125209] или ионами [J.R. Rabeau, P. Reichart, Implantation of labelled single nitrogen vacancy centers in diamond using 15N, APPLIED PHYSICS LETTERS 88, 023113_(2006) DOI: 10.1063/1.2158700]. При этом доза (флюенс) может составлять значения от 10¹⁶ см^-2 до 10²⁰ см^-2 в зависимости от энергии частиц и требуемых конечных свойств алмазов. Если флюенс имеет значение меньше 10¹⁶ см^-2, то создаваемая концентрация вакансий и, следовательно, NV центров слишком мала для надежного детектирования. При флюенсах больше 10²⁰ см^-2 концентрация вакансий и, следовательно, NV центров практически не увеличивается с ростом флюенса, но значительно растет количество радиационных дефектов кристалла, которые искажают ДРОР и мешают его детектированию. Вакансии (V) формируют активные оптические центры и сами по себе, и в различных комбинациях с азотом (N+V, N+N+V). В процессе диффузии вакансия может встретить не только атом азота, но и атом углерода в междоузлии и рекомбинировать с ним. Атом углерода из междоузлия переходит на свое «законное» место в решетке, и оба дефекта (и вакансия и междоузельный атом углерода) при этом исчезают. Поэтому концентрация вакансий, создаваемая при облучении пучком частиц высокой энергии, должна превышать концентрацию атомов азота в позиции замещения. Данный этап известен специалистам и широко используется при создании NV центров в алмазах.

3. Высокотемпературный отжиг в инертной атмосфере.

Для формирования азотно-вакансионных (NV) центров необходимо, чтобы созданные посредством облучения пучком частиц высокой энергии вакансии начали диффундировать. Это обеспечивается повышением температуры. Отжиг производится при температуре предпочтительно от 700 до 1100°C в течение времени предпочтительно от 30 минут до 2 часов в инертной атмосфере, что препятствует окислению поверхности алмазов. При отжиге вакансии двигаются, пока их не «захватят» атомы азота - либо ¹⁴N, либо ¹⁵N. Таким образом, формируются нейтральные NV⁰-центры. Если вблизи такого центра находится атом азота или другой донор, то NV⁰-центр захватывает электрон, образуя отрицательно заряженный NV^--центр. Данный этап известен специалистам и широко используется при создании NV центров в алмазах.

4. Помол кристаллического материала до получения порошка с размерами частиц от 10 нм до 10 мкм.

Для измельчения могут быть использованы как коммерчески доступные мельницы, так и специальные методы, например, описанный в патенте РФ №2415717 на изобретение «Механохимический способ измельчения алмазов».

5. Химическое травление порошка после помола для удаления «балластного» компонента и очистки от микроостатков обрабатывающего инструмента мельницы.

Как правило, применяются смеси кислот, не повреждающие кристаллы алмаза, и вода.

6. Выходной контроль алмазного порошка по сигналу двойного радиооптического резонанса (ДРОР).

Процедура выходного контроля принципиально не отличается от процедуры детектирования меток. Кристаллы алмаза (в виде порошка, суспензии) возбуждаются оптическим излучением лазера и, одновременно, СВЧ-полем, частота которого изменяется во времени (сканирует, свипируется) от 2,7 до 3 ГГц. В указанном диапазоне лежит спектр ДРОР, измененный присутствием изотопов. При этом за счет эффекта ДРОР флуоресценция алмазов уменьшается в те моменты времени, когда частота СВЧ поля оказывается совпадающей с частотой ДРОР. Таким образом, записывается спектр ДРОР, и, при необходимости, производится выбраковка партии.

7. Полученные алмазы с NV-центрами вводятся затем в краску, лак, или на их основе изготовляется водная суспензия, в зависимости от требуемого способа формирования защитной метки.

Пункты 5-7 могу быть исключены из технологической цепочки, т.к. это этапы подготовки вещества к нанесению на изделие. Они могут быть различными по желанию потребителя, поскольку вещество, полученное на этапе 4, уже обладает всеми необходимыми согласно изобретению свойствами. В этом случае потребитель самостоятельно производит краску (лак, пропитывающий состав и т.п.), содержащую алмазный порошок по своей технологии.

В зависимости от соотношения концентраций изотопов ¹²C и ¹³C, спектр ДРОР алмазного порошка, полученного в результате выполнения пунктов 1-4 (или 1-6), содержит спектральные компоненты, обусловленные присутствием атомов ¹³C вблизи NV центров [Фиг. 1.(2)]. При этом их вклад в результирующий сигнал тем больше, чем выше была исходная концентрация изотопа ¹³C в сырье. Отношение интенсивностей пиков неискаженного ДРОР NV центра [Фиг. 1.(1)] и пиков ДРОР в присутствии атомов ¹³C [Фиг. 1.(2)] является параметром, по которому дифференцируются типы данной защитной метки. Для значений указанного отношения устанавливаются диапазоны, при попадании в один из которых метка должна быть отнесена к данному типу. Например, если при детектировании отношение величин пиков (1) и (2) попадает в диапазон от 0,9 до 0,7, то метку относят к первому типу, если от 0,7 до 0,5 то ко второму и т.д. Величины указанных диапазонов, а следовательно, и полное число градаций зависят от погрешности измерения при детектировании, которая в свою очередь зависит от определяемых потребителем параметров, таких как концентрация активного вещества в метке, допустимое время детектирования каждой метки, возможность повторного детектирования, допустимая вероятность ошибки и т.п.

Аналогично, в зависимости от соотношения концентраций изотопов ¹⁴N и ¹⁵N, спектр ДРОР алмазного порошка, полученного в результате выполнения пунктов 1-4 (или 1-6), содержит спектральные компоненты, обусловленные присутствием в составе NV центров атомов ¹⁵N [Фиг. 1.(3)]. При этом их вклад в результирующий сигнал тем больше, чем выше была исходная концентрация изотопа ¹⁵N в сырье. Отношение интенсивностей пиков ДРОР NV центров, содержащих ¹⁴N [Фиг. 1.(1)], и пиков ДРОР, содержащих ¹⁵N [Фиг. 1.(3)], является параметром, по которому дифференцируются типы данной защитной метки аналогично тому, как это делается с изотопами углерода.

Возможно одновременное применение в составе исходного сырья как изотопа ¹³C, так и ¹⁵N. В этом случае в спектре ДРОР наблюдаются все компоненты [Фиг. 1.(1-3)], а соотношение их амплитуд определяет, к какому типу относится метка.

Устройство для детектирования предложенных меток (Фиг. 2) включает в себя, кроме защищаемого изделия (4) с защитной меткой (5), следующие компоненты: лазер (6), систему фокусировки (7), состоящую из дихроичного зеркала, отражающего лазерное излучение, и линзы, фокусирующей его, СВЧ генератор (8), вырабатывающий модулированный по частоте СВЧ сигнал (9), систему подвода СВЧ-мощности к метке (10), состоящую из подводящего кабеля, СВЧ изолятора и излучающей ближнепольной СВЧ антенны, систему сбора излучения (11), состоящую из фильтра, отсекающего рассеянное лазерное излучение и пропускающего излучение эмиссии активного вещества метки, и линзы, фокусирующей излучение на фотодетектор (12), вырабатывающий аналоговый электрический сигнал (13), блок анализа сигнала (14), генератор опорного сигнала (15), вырабатывающий опорный сигнал модуляции (16), блок хранения эталонных сигналов (17), выдающий на блок анализа (14) эталонные сигналы (18), а также канал выхода (выход) устройства (19).

Устройство для детектирования метки, схема которого приведена на фиг. 2, функционирует следующим образом.

Защищаемое изделие (4) автоматически или вручную подают в зону контроля так, чтобы место, где должна располагаться защитная метка (5), находилось в зоне воздействия постоянного излучения лазера (6), сфокусированного системой фокусировки (7), где происходит оптическое возбуждение активного вещества метки. Система фокусировки содержит дихроичное зеркало, отражающее лазерное излучение и пропускающее излучение флюоресценции активного вещества метки. Длину волны излучения лазера выбирают таким образом, чтобы она попадала в полосу поглощения NV центров, т.е. от 450 до 650 нм, а его мощность Р так, чтобы флюоресценция активного вещества метки имела достаточную для измерения величину, т.е. P = от 10 мВт до 5 Вт.

Одновременно происходит возбуждение активного вещества метки частотно модулированным излучением (9) СВЧ генератора (8), подведенным к указанной области системой подвода СВЧ сигнала (10), состоящей из подводящего кабеля, СВЧ изолятора, препятствующего отражению СВЧ сигнала обратно в генератор, и излучающей ближнепольной СВЧ антенны, например, соленоида, отрезка двухпроводной, микрополосковой или иной открытой линии. Частота СВЧ излучения изменяется во времени (сканирует, свипируется) от 2,7 до 3 ГГц, а его мощность составляет от 0,1 Вт до 10 Вт.

Оптическая эмиссия активного вещества метки проходит сквозь дихроичное зеркало в составе системы фокусировки (7), собирается системой сбора излучения (11), включающей в себя фильтр, блокирующий рассеянное лазерное излучение и пропускающий излучение эмиссии активного вещества метки, и линзу, фокусирующую излучение на фотодетектор (12), аналоговый электрический сигнал (13) с которого направляется в блок анализа сигнала (14).

Модуляция СВЧ излучения генератора (8) производится в соответствии с опорным сигналом модуляции (16), вырабатываемым генератором опорного сигнала (15). Также опорный сигнал (16) подается в блок анализа (14), где на основании известной (для данного используемого СВЧ генератора (8)) зависимости частоты СВЧ сигнала от амплитуды опорного сигнала модуляции (16) строится зависимость амплитуды сигнала фотодетектора от частоты возбуждающего СВЧ поля, т.е. спектр ДРОР метки (далее - измеренный сигнал).

В блоке анализа (14) происходит сравнение измеренного сигнала с эталонными сигналами (18), хранящимися в блоке хранения эталонных сигналов (17). Процедура сравнения включает в себя расчет отношений величин измеренного и эталонного сигналов на определенных частотах (как правило, соответствующих пикам и провалам спектра). В случае если для эталонного сигнала, хранящегося в блоке хранения (17) под номером N, и измеренного сигнала указанные отношения отличаются друг от друга менее чем на некое наперед заданное малое значение δ (т.е. сигналы подобны с заданной точностью δ), на выход (19) устройства выводится номер N эталона, с которым обнаружено совпадение. В случае если не обнаружено совпадений ни с одним эталоном, выводится сигнал, соответствующий фальшивой метке, или не выводится никакого сигнала, в зависимости от реализации устройства. В случае если обнаружено совпадение более чем с одним эталоном, выводится сигнал ошибки. Блок хранения эталонных сигналов (17) является цифровым устройством и содержит энергонезависимую память необходимого объема. Блок анализа (14) может быть как цифровым, так и аналоговым устройством, и в зависимости от этого содержать в своем составе устройства ЦАП и/или АЦП. Канал выхода устройства (19) может быть реализован в соответствии с любым цифровым протоколом обмена данными, либо быть аналоговым.

Ниже с целью иллюстрации отдельных аспектов осуществления изобретения приведены примеры осуществления предлагаемого способа производства метки на поверхности защищаемого изделия. Приведенные ниже примеры не предназначены для того, чтобы каким-либо образом ограничивать объем настоящего изобретения.

Пример 1. Получение метки на поверхности защищаемого изделия.

1. Для производства синтетических алмазов для указной метки используют известную технологию химического осаждения из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD-процесс). При этом к метану ¹²СН₄, являющемуся источником углерода при росте кристалла алмаза, добавляют метан ¹³СН₄, содержащий 99,9% молекул с атомами изотопа ¹³С, который доступен на открытом рынке. Количество указанного метана ¹³СН₄ с изотопом ¹³С выбирают так, чтобы соотношение количеств ¹²СН₄ и ¹³СН₄ в реакторе составляло 7/3. В качестве затравок в процессе используют микрокристаллы алмаза любого типа. Рост осуществляют до тех пор, пока размер кристаллов не достигнет 0,1-0,5 мм.

2. Выращенные кристаллы укладывают (насыпают) на металлическую подложку слоем 3 мм и экспонируют под пучком с энергией электронов 2 МэВ до достижения флюенса (дозы) 10¹⁸ электронов/см². При этом контролируют температуру алмазов и подложки, и при повышении температуры выше 200°C приостанавливают облучение и дают системе остыть. Флюенс рассчитывают исходя из тока и поперечного сечения пучка электронов.

3. Облученные алмазы помещают в печь (есть коммерчески доступные модели), заполняют ее агроном и производят отжиг при температуре 900°C в течение 1,5 часов.

4. Затем производят помол кристаллического материала в вибрационной эксцентриковой мельнице конструкции М.И. Аронова с добавлением «балластного» компонента CeO₂ массой 2,5 массы алмазов в течение 2 часов до получения порошка со средним размером частиц порядка 150 нм.

5. Полученный порошок промывают в 30%-ной соляной кислоте при комнатной температуре в течение 12 ч, а затем в смеси (1:1 по объему) концентрированных соляной и азотной кислот в течение 24 ч. Затем измельченные алмазы многократно промывают дистиллированной водой для удаления остатков кислот и высушивают на подложках.

6. Полученные микрокристаллы алмаза (в виде порошка) наносят тонким слоем на медную подложку с помощью стального шпателя и возбуждают постоянным оптическим излучением лазера с длиной волны 532 нм, мощностью 300 мВт, сфокусированным на поверхности указанной подложки в пятно диаметром 300 мкм. Одновременно производят возбуждение СВЧ-полем от источника мощностью 3 Вт, которое подводится с помощью короткозамкнутого полуволнового отрезка двухпроводной линии, помещенной на расстоянии 1 мм от подложки. Частота указанного СВЧ поля изменяется (сканирует, свипируется) от 2,7 до 3 ГГц за одну секунду. Флюоресценцию алмазов контролируют с помощью ФЭУ, снабженного оптическим фильтром, блокирующим излучение с длинами волн менее 600 нм. Таким образом, записывают спектр ДРОР полученных микроалмазов. Так как указанные алмазы содержат около 30% изотопа ¹³С, то с большой вероятностью один из трех атомов углерода, находящихся возле вакансии каждого NV центра является атомом ¹³С, и спектр ДРОР полученных кристаллов имеет минимумы на частотах 2,806 и 2,933 ГГц. При этом полученный спектр ДРОР сохраняют в качестве эталонного для данной партии и присваивают ему уникальный номер.

7. Полученные алмазы вводят затем в бесцветный полиграфический лак в количестве 20% от массы лака. Указанный лак наносят на поверхность защищаемого изделия, формируя пятно размером не менее 1 мм, и высушивают.

Пример 2. Получение метки на поверхности защищаемого изделия.

1. Для производства синтетических алмазов для указной метки используют известную технологию химического осаждения из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD-процесс). К метану ¹²СН₄, являющемуся источником углерода при росте кристалла алмаза, добавляют азот ¹⁵N₂, содержащий 99,9% молекул с атомами изотопа ¹⁵N, который доступен на открытом рынке, и обычный азот ¹⁴N₂ в равных долях. Полное количество азота выбирают так, чтобы соотношение количеств метана и обоих изотопов азота составляло 1000/1. В качестве затравок в процессе используют микрокристаллы алмаза любого типа. Рост осуществляют до тех пор, пока размер кристаллов не достигнет 0,1-0,5 мм. При этом содержание остаточного атмосферного азота ¹⁴N₂ в реакторе контролируют и снижают до уровня менее 10^-5 относительно давления, при котором происходит синтез.

Пункты 2-5 аналогичны Примеру 1.

6. Полученные микрокристаллы алмаза (в виде порошка) наносят тонким слоем на медную подложку с помощью стального шпателя и возбуждают постоянным оптическим излучением лазера с длиной волны 532 нм, мощностью 300 мВт, сфокусированным на поверхности указанной подложки в пятно диаметром 300 мкм. Одновременно производят возбуждение СВЧ-полем от источника мощностью 3 Вт, которое подводится с помощью короткозамкнутого полуволнового отрезка двухпроводной линии, помещенной на расстоянии 1 мм от подложки. Частота указанного СВЧ поля изменяется (сканирует, свипируется) от 2,85 до 2,89 ГГц за одну секунду. Флюоресценцию алмазов контролируют с помощью ФЭУ, снабженного оптическим фильтром, блокирующим излучение с длинами волн менее 600 нм. Таким образом, записывают спектр ДРОР полученных микроалмазов. Так как указанные алмазы содержат равное количество атомов обоих изотопов ¹⁴N и ¹⁵N в позиции замещения, то спектр ДРОР полученных кристаллов содержит компоненты, присущие NV центрам с обоими изотопами. При этом полученный спектр ДРОР сохраняют в качестве эталонного для данной партии, и присваивают ему уникальный номер.

7. Полученные алмазы вводят затем в бесцветный полиграфический лак в количестве 20% от массы лака. Указанный лак наносят на поверхность защищаемого изделия, формируя пятно размером не менее 1 мм, и высушивают.

Пример 3. Получение метки на поверхности защищаемого изделия.

1. Для производства синтетических алмазов для указной метки используют известную технологию химического осаждения из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD-процесс). К метану ¹²СН₄, являющемуся источником углерода при росте кристалла алмаза, добавляют азот ¹⁵N₂, содержащий 99,9% молекул с атомами изотопа ¹⁵N, который доступен на открытом рынке, и обычный азот ¹⁴N₂ в равных долях. Полное количество азота выбирают так, чтобы соотношение количеств метана и обоих изотопов азота составляло 1000/1.

Также к метану ¹²СН₄, являющемуся источником углерода при росте кристалла алмаза, добавляют метан ¹³СН₄, содержащий 99,9% молекул с атомами изотопа ¹³С, который доступен на открытом рынке. Количество указанного метана ¹³СН₄ с изотопом ¹³С выбирают так, чтобы соотношение количеств ¹²СН₄ и ¹³СН₄ в реакторе составляло 7/3.

В качестве затравок в процессе используют микрокристаллы алмаза любого типа. Рост осуществляют до тех пор, пока размер кристаллов не достигнет 0,1-0,5 мм. При этом содержание остаточного атмосферного азота ¹⁴N₂ в реакторе контролируют и снижают до уровня менее 10^-5 относительно давления, при котором происходит синтез.

Пункты 2-5 аналогичны Примеру 1.

6. Полученные микрокристаллы алмаза (в виде порошка) наносят тонким слоем на медную подложку с помощью стального шпателя и возбуждают постоянным оптическим излучением лазера с длиной волны 532 нм, мощностью 300 мВт, сфокусированным на поверхности указанной подложки в пятно диаметром 300 мкм. Одновременно производят возбуждение СВЧ-полем от источника мощностью 3 Вт, которое подводится с помощью короткозамкнутого полуволнового отрезка двухпроводной линии, помещенной на расстоянии 1 мм от подложки. Частота указанного СВЧ поля изменяется (сканирует, свипируется) от 2,7 до 3 ГГц за одну секунду. Флюоресценцию алмазов контролируют с помощью ФЭУ, снабженного оптическим фильтром, блокирующим излучение с длинами волн менее 600 нм. Таким образом, записывают спектр ДРОР полученных микроалмазов. Так как указанные алмазы содержат около 30% изотопа ¹³С, то с большой вероятностью один из трех атомов углерода, находящихся возле вакансии каждого NV центра, является атомом ¹³С, и спектр ДРОР полученных кристаллов имеет минимумы на частотах 2,806 и 2,933 ГГц. Также указанные алмазы содержат равное количество атомов обоих изотопов ¹⁴N и ¹⁵N в позиции замещения, поэтому спектр ДРОР полученных кристаллов содержит компоненты, присущие NV центрам с обоими изотопами. При этом полученный спектр ДРОР сохраняют в качестве эталонного для данной партии и присваивают ему уникальный номер.

7. Полученные алмазы вводят затем в бесцветный полиграфический лак в количестве 20% от массы лака. Указанный лак наносят на поверхность защищаемого изделия, формируя пятно размером не менее 1 мм и высушивают.

Пример 4. Детектирование меток, полученных в примерах 1-2.

Детектирование полученных меток осуществляют следующим образом.

1. Защищаемое изделие помещают в зону контроля так, чтобы место, где должна располагаться защитная метка, находилось в зоне воздействия излучения лазера.

2. Возбуждают метку постоянным оптическим излучением лазера с длиной волны 532 нм, мощностью 300 мВт, сфокусированным на поверхности метки в пятно размером 300 мкм.

3. Одновременно производят возбуждение СВЧ-полем от источника мощностью 3 Вт, которое подводится с помощью короткозамкнутого полуволнового отрезка двухпроводной линии, помещенной на расстоянии 1 мм от метки. Частота указанного СВЧ поля изменяется (сканирует, свипируется) от 2,7 до 3 ГГц за одну секунду в соответствии с сигналом от опорного генератора, который вырабатывает пилообразное напряжение с периодом 1 сек.

4. Флюоресценцию метки контролируют с помощью ФЭУ, снабженного оптическим фильтром, блокирующим излучение с длинами волн менее 600 нм. Таким образом, записывают спектр ДРОР метки.

5. Аналоговый электрический сигнал ФЭУ и опорный сигнал модуляции подают в блок анализа сигнала, состоящий из 2-канального АЦП, процессора, цифрового входа и выхода. В блоке анализа происходит оцифровка сигналов и проводится их обработка, при которой каждому значению напряжения опорного сигнала ставится в соответствие частота СВЧ поля - напряжению 0 В 2,7 ГГц, максимальному напряжению - 3 ГГц, а всем промежуточным значениям напряжения - значения частоты, рассчитанные по известной характеристике генератора СВЧ. Полученная в результате зависимость амплитуды флюоресценции от частоты СВЧ поля является спектром ДРОР метки (измеренный сигнал).

6. Для снижения вероятности ошибки действия по указанным выше пунктам 2-5 повторяют некоторое количество раз, заданное пользователем (типично 3-10 раз). Полученные при этом сигналы накапливают и усредняют.

7. Полученный усредненный измеренный сигнал сравнивается по очереди с каждым из эталонных сигналов, хранящихся в цифровом виде в блоке хранения эталонных сигналов, представляющем собой энергонезависимую память. Процедура сравнения включает в себя расчет отношений величин измеренного и эталонного сигналов на определенных частотах, соответствующих минимумам спектров ДРОР для разных изотопов - 2,806, 2,868, 2,87, 2,872 и 2,933 ГГц.

8. В случае если для эталонного сигнала, хранящегося в блоке хранения под номером N, и усредненного измеренного сигнала все указанные отношения отличаются друг от друга менее чем на 10% (т.е. спектры подобны с точностью до 10%), на цифровой выход устройства выводится номер N эталона, с которым обнаружено совпадение. В случае если не обнаружено совпадений ни с одним эталоном, выводится значение «ноль», соответствующее фальшивой метке. В случае если обнаружены совпадения более чем с одним эталоном, выводится код ошибки.

По данным с выхода блока анализа судят о подлинности метки, о типе, к которому она принадлежит, либо о необходимости проведения повторного детектирования.

Предлагаемое изобретение позволяет создавать защитные метки с варьируемым защитным признаком, что позволит создать много различных вариантов меток, имеющих отличающиеся защитные признаки, а также осуществлять детектирование указанных меток с возможностью различения меток, имеющих отличающиеся защитные признаки.

Хотя настоящее изобретение было подробно описано на примерах вариантов, которые представляются предпочтительными, необходимо помнить, что эти примеры осуществления изобретения приведены только в целях иллюстрации изобретения. Данное описание не должно рассматриваться как ограничивающее объем изобретения, поскольку в этапы описанных способов и устройств специалистами в области физики, оптики, электроники, обработки сигналов и др. могут быть внесены изменения, направленные на то, чтобы адаптировать их к конкретным устройствам или ситуациям, и не выходящие за рамки прилагаемой формулы изобретения. Специалисту в данной области понятно, что в пределах сферы действия изобретения, которая определяется пунктами формулы изобретения, возможны различные варианты и модификации, включая эквивалентные решения.

Изобретение относится к области защиты от подделок банкнот, ценных бумаг, документов и иных изделий при помощи нанесения на них защитных меток, обладающих особыми физическими свойствами. Способ получения, по меньшей мере, двух типов активного вещества метки для защиты изделий от подделки, содержащего микрокристаллы алмаза с активными NV-центрами, дифференцируемых по форме двойного радиооптического резонанса в котором:

снимают зависимость формы двойного радиооптического резонанса синтезированных алмазов с отношением концентраций изотопов ¹³С и ¹²С от 0,011 до 1 от указанного отношения концентраций,

разделяют указанную зависимость на не менее чем два непересекающихся диапазона, соответствующих указанным типам,

для каждого из указанных типов синтезируют исходные алмазы с отношением концентраций изотопов ¹³С и ¹²С, попадающим в соответствующий диапазон, облучают их пучком частиц высокой энергии с последующим отжигом, и измельчают в порошок.

Технический результат: расширение области применения при одновременном повышении степени защиты от подделок. 8 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения, по меньшей мере, двух типов активного вещества метки для защиты изделий от подделки, содержащего микрокристаллы алмаза с активными NV-центрами, дифференцируемых по форме двойного радиооптического резонанса в котором:
снимают зависимость формы двойного радиооптического резонанса синтезированных алмазов с отношением концентраций изотопов ¹³С и ¹²С от 0,011 до 1 от указанного отношения концентраций,
разделяют указанную зависимость на не менее чем два непересекающихся диапазона, соответствующих указанным типам,
для каждого из указанных типов синтезируют исходные алмазы с отношением концентраций изотопов ¹³С и ¹²С, попадающим в соответствующий диапазон, облучают их пучком частиц высокой энергии с последующим отжигом и измельчают в порошок.

2. Способ получения, по меньшей мере, двух типов активного вещества метки для защиты изделий от подделки по п. 1, в котором синтезируют и используют для снятия зависимости формы двойного радиооптического резонанса алмазы, дополнительно содержащие изотопы ¹⁵N и ¹⁴N с отношением концентраций от 0,00421 до 1.

3. Способ защиты изделий от подделки с помощью микрокристаллов алмаза с активными NV центрами, заключающийся в том, что в(на) защищаемое изделие вводят (наносят), по меньшей мере, одно активное вещество метки, полученное по любому из пп. 1 и 2.

4. Способ проверки подлинности изделий, защищенных от подделки посредством способа по п. 3, заключающийся в том, что измеряют и анализируют форму спектра двойного радиооптического резонанса вещества метки, нанесенной на изделие, на основании которой определяют принадлежность вещества метки к одному из указанных типов.

5. Активное вещество меток с контролируемой формой спектра двойного радиооптического резонанса для защиты изделий от подделки на основе микрокристаллов алмаза с активными NV-центрами, полученное способом по любому из пп. 1 и 2.

6. Способ получения, по меньшей мере, двух типов активного вещества метки для защиты изделий от подделки, содержащего микрокристаллы алмаза с активными NV-центрами, дифференцируемых по форме двойного радиооптического резонанса, в котором:
снимают зависимость формы двойного радиооптического резонанса синтезированных алмазов, содержащих атомы азота в позиции замещения с отношением концентраций изотопов ¹⁵N и ¹⁴N от 0,00421 до 1 от указанного отношения концентраций,
разделяют указанную зависимость на не менее чем два непересекающихся диапазона, соответствующих указанным типам,
для каждого из указанных типов синтезируют исходные алмазы, содержащие атомы азота в позиции замещения с отношением концентраций изотопов ¹⁵N и ¹⁴N, попадающим в соответствующий диапазон, облучают их пучком частиц высокой энергии с последующим отжигом, измельчают в порошок.

7. Способ получения, по меньшей мере, двух типов активного вещества метки для защиты изделий от подделки по п.6, в котором синтезируют и используют для снятия зависимости формы двойного радиооптического резонанса алмазы, дополнительно содержащие изотопы ¹³С и ¹²С с отношением концентраций от 0,011 до 1.

8. Способ защиты изделий от подделки с помощью микрокристаллов алмаза с активными NV центрами, заключающийся в том, что в(на) защищаемое изделие вводят (наносят), по меньшей мере, одно активное вещество метки, полученное по любому из пп. 6 и 7.

9. Способ проверки подлинности изделий, защищенных от подделки посредством способа по п. 8, заключающийся в том, что измеряют и анализируют форму спектра двойного радиооптического резонанса вещества метки, нанесенной на изделие, на основании которой определяют принадлежность вещества метки к одному из указанных типов.

10. Активное вещество меток с контролируемой формой спектра двойного радиооптического резонанса для защиты изделий от подделки на основе микрокристаллов алмаза с активными NV-центрами, полученное способом по любому из пп 6-7.