Оптический флюорит
Шрифт:
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
Ответственный редактор доктор геолого-минералогических наук В. П. ПЕТРОВ
Введение
XX век в технике — это прежде всего век новых материалов. Среди них важная роль принадлежит кристаллам. Кристаллы, которые использовались раньше главным образом как украшения в ювелирных изделиях или как каменный эквивалент богатства, стали теперь деталями различных приборов и технических устройств: оптических, механических, электрических. Это не только традиционные микроскопы, телескопы, спектральные приборы, режущий и обрабатывающий инструмент, полупроводниковая техника. На кристаллической основе созданы такие новые устройства, как лазеры, мазеры, сцинтилляторы, пьезодатчики и др. Кристаллы начинают широко использоваться в новейшей вычислительной технике. Кристаллам принадлежит будущее.
Одним
Уникальные оптические свойства флюорита были установлены на природных кристаллах, иногда вырастающих на стенках полостей во флюоритовых рудных телах. Природные кристаллы долгое время были и тем исходным техническим материалом, из которого изготавливались оптические детали (линзы, призмы и т. п.) определенной формы и размеров. Однако ограниченность запасов природных кристаллов, их относительно небольшие размеры, невозможность получения крупных моноблочных, несклеенных деталей заставили искать пути замены дефицитного природного флюорита. Была разработана технология получения искусственных монокристаллов флюорита, довольно быстро доведенная до промышленных масштабов.
Сейчас во многих странах создана настоящая индустрия искусственного оптического флюорита. На специальных заводах изготавливают монокристаллы любых размеров (до метровых), любой формы — дисковидной, пластинчатой, призматической, сложной фигурной, почти точно соответствующих размерам и форме тех деталей, которые из них будут получать, чтобы свести до минимума потери материала на обработку. Можно изготовить кристаллы с заранее заданными свойствами — либо прозрачные во всем спектре, либо «гаснущие» для света определенных длин волн, бесцветные или яркоокрашенные в любой цвет, с устойчивой или легко снимаемой и меняемой окраской, с люминесценцией или без нее.
«Через несколько десятков лет геологи не будут больше с опасностью для жизни взбираться на вершины Альп, Урала или Кавказа в погоне за кристаллами, не будут добывать их в безводных пустынях Южной Бразилии или в наносах Мадагаскара. Я уверен, что мы будем по телефону заказывать нужные куски кварца на государственном заводе» [Ферсман, 1953, с. 125]. Так писал замечательный минералог, поэт камня, А. Е. Ферсман в 1935 г. Сегодня его мечты осуществились, и не только в отношении кварца или флюорита. Алмазы, гранаты, рубины, сапфиры, шпинели, изумруды, александриты — сотни самых различных минералов поставляют лаборатории и заводы нашей промышленности.
Но прежде чем достичь такого положения, был долгий и настойчивый поиск, упорный труд ученых и специалистов разных направлений — геологов, физиков, химиков. На примере оптического флюорита особенно ярко видно, как оправдывался этот тяжелый труд, как сбывались надежды искателей, мечтавших раскрыть тайну рождения кристаллов, создать по подобию природных механизмов кристаллообразования производственные процессы.
Мы хотим рассказать не только об удивительном произведении природы — кристаллах оптического флюорита, но и о сложном и многообразном комплексе проблем, которые пришлось решить, чтобы эти кристаллы прочно и надежно вошли в современное оптическое производство. Авторы много лет занимаются изучением природных и созданием искусственных монокристаллов флюорита. Но основа книги не результат именно нашего труда, а успехи всех минералогов, кристаллогенетиков и технологов-ростовиков, чей труд вложен в создание промышленности искусственного флюорита.
Природа оптических свойств флюорита
Трудно найти минерал более универсального применения, чем флюорит — природное соединение кальция и фтора, фтористый кальций. Он является главным источником фтора и фтористых соединений для химической промышленности, которые используются буквально везде: от фреона в холодильниках и высокооктанового топлива до производства алюминия и даже космической техники [Петров, 1976]. Без флюорита как лучшего флюса невозможен современный металлургический процесс. Он широко применяется в цементной промышленности, в стекольном и эмалевом производстве, используется в электродуговой сварке для электродных покрытий и приготовления флюсов. Кроме того, он является одним из важнейших оптических материалов, о чем будет идти речь ниже.
Флюорит (fluore, нем. — течь) получил свое наименование из-за своего важного свойства снижать температуру плавления металлов в смесях с ним и придавать текучесть шихте. Пожалуй, впервые под близким к современному названию «флюорес» флюорит описан в знаменитом «Диалоге о металлах» Г. Бауэра (Агриколы). У этого научного названия минерала много синонимов, по-разному звучащих на разных языках, но смысл их один и тот же, и лучше всего он выражен в русском бытовом названии «плавиковый шпат». Оно отражает сразу оба главных качества флюорита: и способность быть металлургическим флюсом-плавиком, и оптическое совершенство («шпат», а шпаты от немецкого «spalten» — раскалывать — неметаллические минералы с совершенной спайностью).
Исключительно важное значение флюорита в современной технике, особенно в оптическом приборостроении, определяется совокупностью его свойств, которые детально охарактеризованы в специальной литературе [Степанов, Феофилов, 1957; Воронкова и др., 1965; Справочник..., 1980]. Здесь мы остановимся лишь на оптических свойствах.
Рис. 1. Зависимость показателя преломления (n) от длины волны для флюорита и ряда других кристаллических материалов
Рис. 2. Спектральное пропускание (T) флюорита в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра
Флюорит оптически изотропен, т. е. все его оптические свойства не зависят от направления в кристалле. Он характеризуется относительно низким показателем преломления (n), который имеет (при 19° С) следующие значения для различных длин волн :
| n | , мкм | n | , мкм |
|---|---|---|---|
| 1,6421 | 1,1311 | 1,47635 | 0,2288 |
| 1,5152 | 0,1819 | 1,30756 | 9,724 |
Показатель преломления мало зависит от длины волны (рис. 1), для него характерен типичный для щелочно-галоидных кристаллов ход частной дисперсии. Температурный коэффициент показателя преломления (dn/dt) варьирует от —6,2•10– 6/°С для = 0,2288 мкм до —5,6•10– 6/°С для = 9,724 мкм; минимальное значение установлено для = 0,852 мкм и равно —10,6•10– 6/°С.
Рис. 3. Границы спектрального пропускания различных оптических материалов
Особенно важным свойством флюорита является его высокая прозрачность в широком спектральном диапазоне: от 0,125 мкм в вакуумной ультрафиолетовой (УФ) (шумановской) до 11 мкм в инфракрасной (ИК) областях спектра (рис. 2). На рис. 3 приведены сравнительные данные о диапазонах пропускания. Среди различных оптических материалов нет ни одного, для которого так удачно, как для флюорита, сочетались бы оптические характеристики. Только немногие искусственные кристаллы имеют более коротковолновую границу пропускания — это кристаллы фтористого лития LiF, фтористого магния MgF2, дигидрофосфата аммония NH4H2PO4(ADP). Но они либо имеют двойное лучепреломление, либо характеризуются низкой твердостью, либо водо- и кислотонеустойчивы (табл. 1), что ограничивает их применение в оптическом приборостроении. Ряд материалов, имеющих в ИК-области более длинноволновую границу пропускания, чем у фтористого кальция, уступают ему по пропусканию в УФ-диапазоне и могут использоваться исключительно в спектральных приборах для ИК-области. Это бромистый калий KBr, бромистый цезий CsBr, йодистый калий KI, KRS-5 (состава TlBr — TlI).