Оптический флюорит
Шрифт:
Флюорит имеет преимущественно зеленый цвет. Реже встречаются фиолетовые и бесцветные разности. Окраска связана с присутствием примесей редкоземельных элементов, содержание которых резко изменяется не только от ранних к поздним кристаллам, обычно уменьшаясь, но и в пределах одного кристалла. Примеси снижают качество кристаллов. Впрочем, ухудшение показателей пропускания, обусловленное присутствием редких земель, — беда всех флюоритовых месторождений пегматитового типа.
Месторождения оптического флюорита или оптические флюоритовые моноблоки на месторождениях, разрабатываемых для других целей (на плавик, химическое сырье), имеют обычно небольшие размеры, поэтому добыча ведется без строгих технических систем. Любым подходящим способом —
Особенностью разработки месторождений флюорита является то, что она идет почти сразу вслед за разведкой или одновременно с ней и ведется, как правило, горнодобывающими предприятиями и геологоразведочными партиями. Из вскрытых гнезд и погребов тут же выбирается все содержащееся в них кристаллосырье. Только для относительно крупных тел строго выдерживается обычная разведочная схема: детальная разведка -> подсчет запасов -> их утверждение -> извлечение.
При вскрытии гнезд во избежание разрушения кристаллов используют слабобризантные взрывчатые вещества, да и то только там, где это необходимо. Разрыхленной массе дают отстояться до выравнивания ее температуры и влажности с температурой и влажностью воздуха. При разборке горной массы осуществляются и обогащение и сортировка флюорита в соответствии с техническими условиями. Кристаллы с дефектами сразу же бракуются или они идут в плавочное сырье. Кондиционные и условно годные кристаллы просматриваются в лабораториях и оцениваются по категориям качества. От неоднородных кристаллов и друз аккуратно скалываются или срезаются дефектные части.
Отсортированные природные кристаллы поставлялись потребителям — оптическим предприятиям и научно-исследовательским институтам. Из кристаллов изготовлялись оптические детали, которые требовались и которые позволяло изготовлять данное сырье. Однако природный флюоритовый материал накладывал множество неприятных для потребителя ограничений. Крупные кристаллы были исключительной редкостью, поэтому в основном из флюорита изготовлялась мелкогабаритная оптика или делались склеенные детали. Приходилось мириться с наличием дефектов, иногда даже крупных, с неоднородностью материала. Флюорит относительно хрупок, поэтому даже хорошие кристаллы раскалывались по спайности при неосторожной обработке или неправильном хранении. Так что не было в оптической промышленности другого природного сырья, более капризного, чем флюорит. Кроме того, это сырье было очень редким и дорогим, и в 20—30-х годах даже богатые американские фирмы использовали флюорит только для изготовления самых дорогих объективов-апохроматов, где без него обойтись практически невозможно. Особенно сложной была ситуация с крупными (больше 2—3 см) флюоритовыми изделиями. Даже такие известные фирмы, как «Хильгер» в Лондоне, были вынуждены изготавливать оптические приборы с деталями из флюорита, склеенными из отдельных кусочков и содержащими включения.
Поиски путей замены природного флюорита. Искусственные кристаллы
Флюоритовый «голод», с которым столкнулась оптическая промышленность уже в 30-х годах, заставил искать заменители оптического флюорита. Однако подходящих материалов найти не удавалось: они либо существенно уступали флюориту по оптическим показателям, а те, у которых оптические свойства были более или менее подходящими, имели другие дефекты (были нестойкими к воздействию растворителей, даже паров воды, обладали низкой прочностью и т. д.). Словом, в оптическую технику их вводить было нельзя. Оставалась единственная возможность — заменить природный оптический флюорит искусственным.
Нужно заметить, что проблема получения искусственных кристаллов была к тому времени уже не нова. Еще в середине XVIII в. были уже синтезированы многие минералы, а к концу XIX в. их число достигло нескольких сотен [Чирвинский, 1903—1906]. Был в списке синтезированных минералов и флюорит. Первый синтез флюорита относится, очевидно, к середине XIX в. Сенармонт в 1855 г. получил хорошо ограненные флюоритовые кристаллы с кубическими и октаэдрическими гранями путем перекристаллизации в запаянной
Флюорит, как известно, образуется различными способами — из холодных и горячих растворов, расплавов, газовой фазы и т. д. На основе теоретических представлений любой механизм флюоритообразования, если он работает в строго определенных условиях, может привести к формированию крупных совершенных кристаллов. Но на практике теоретические прогнозы оправдываются не сразу и далеко не всегда, главным образом потому, что трудно сразу определить эти оптимальные условия. Наиболее перспективными считались диффузные, гидротермальные и расплавные методы, и в этих трех направлениях были сосредоточены технологические поиски.
Флюорит может выпадать в кристаллический осадок в обычных условиях (при атмосферном давлении и комнатной температуре) в результате многих реакций, например
CaSO4 + 2KF = VCaF2 + K2SO4;
2NH4F + CaCl2 = VCaF2 + 2NH4Cl.
Рис. 14. Кристаллизаторы для выращивания кристаллов флюорита методом встречной диффузии реагентов
1 — раствор CaSO4; 2 — раствор KF; 3 — жидкое стекло, раствор агар-агара или желатины; 4 — кристаллики флюорита
Эти и подобные им реакции протекают очень быстро, поэтому осадок получается мелкокристаллическим, отдельные кристаллы можно рассмотреть лишь под микроскопом. На основе именно таких химических процессов необходимо найти метод получения крупных монокристаллов: он был бы самым дешевым, экономичным, не требовал энергетических затрат и сложного оборудования. Очевидно, что такого результата можно добиться, если резко снизить скорость реакции и направить весь образующийся материал на встраивание в один кристалл или небольшое число кристаллов.
Скорость реакции можно замедлить, если замедлить поступление реагирующих компонентов в зону реакции, уменьшить скорость диффузии. Лучший способ уменьшения скорости диффузии — использование вязких сред.
Выращивание кристаллов осуществляется следующим образом. В качестве кристаллизатора используется U-образная трубка или любая система типа сообщающихся сосудов, например маленький химический стакан в большом стакане или плоская чашка с емкостями для реагентов (рис. 14). В нижнюю часть трубки заливается вязкая жидкость, например жидкое стекло, агар-агар, желатина и т. п. После застывания жидкости в желеобразную массу в каждое колено заливают растворитель (воду) и засыпают разные реагирующие вещества. Эти вещества начинают диффундировать навстречу друг другу, и, когда диффузионные фронты соединятся, начинается кристаллизация флюорита. Было бы полезным применять затравочные кристаллики, но трудно предвидеть точное положение зоны реакции, куда их надо поместить, поэтому синтез чаще проводился без затравочных кристаллов: возникшие зародыши растут самопроизвольно.