CC BY
70метшжнтш шиш
Василий Павлович Миронов,
кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборато-риирадиометрической сепарации (г. Мирный, институт «Якутнипроалмаз»),
Процесс извлечения алмазов из породы условно разделяется на три этапа: рудоподготовку, обогащение и сепарацию. В процессе рудоподготов-ки кимберлит измельчается и рассе-вается на необходимые классы крупности. На этапе обогащения происходит разделение минералов по плотности за счет сил гравитации в специальных отсадочных машинах или гид-роцикпонах. Основная цель этого процесса - удалить из измельченной руды так называемую «легкую» фракцию. Полученный после такого разделения концентрат - «тяжелая» фракция - состоит из ряда минералов с плотностью, как правило, более 3,0 г/см3. В ней же оказываются и алмазы, плотность которых составляет 3,5 г/см3.
Далее тяжелая фракция поступает в рентгенолюминесцентные сепараторы, где происходит извлечение алмазов. Метод рентгенолюминес-центной сепарации является основным технологическим процессом в алмазодобывающей индустрии. Этим методом выделяется до 95% всех алмазов и 100% кристаллов крупнее 6 мм. В промышленном масштабе автоматические рентгенолюминесцент-
В. П. Миронов
ные сепараторы впервые были применены в АК «АЛРОСА». Ныне этот метод широко используется на обогатительных фабриках России, ЮАР и в ряде других стран с развитой алмазодобывающей промышленностью.
Рентгенолюминесцентный сепаратор (рис. 1)-сложный высокоавтоматизированный прибор, схема устройства которого показана на рис. 2. Любой рентгенолюминесцентный сепаратор в целом можно подразделить на три основные блока: механический (А), состоящий из системы транспортировки материала и его отсечки; электронный (Б), включающий в себя систему усиления и обработки сигнала, а также систему принятия решений; блок управления транспортной системой и отсекателями (В). В устройство сепаратора входят также источники электропитания фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и рентгеновских трубок (РТ), блоки стабилизации высокого напряжения на ФЭУ и РТ. Область проявления физических эффектов, играющих главную роль при сепарации, выделена на рис. 2 красным цветом. Они не воплощены в конкретном материальном блоке, но их значение первос-
Рис. 1. Современный рентгенолюминесцентный сепаратор для доводки концентратов.
Рис. 2. Схема устройства рентгенолюминесцентного сепаратора.
Блоки: А - механический, Б - электронный, В - управления. ■ бункер; 2 - транспортная система; 3 - источник рентгеновского излучения; 4 - фотоэлектронный умножитель; 5 - электронный блок; 6 - исполнительный механизм; 7,8- приемники концентратного и хвостового продуктов.
тепенное - в исследуемом кристалле происходит преобразование энергии излучения рентгеновского диапазона в излучение оптического спектра (люминесценцию).
Люминесценция характеризуется, прежде всего, цветом свечения. Зрительно мы ощущаем только оптическое (электромагнитное) излучение диапазона 380770 нм, который поэтому и называется видимым. Диапазон с длинами волн от 380 до 10 нм - ультрафиолетовый, а от 770 нм до 1 мм - инфракрасный. Оптическое излучение этих двух диапазонов мы не видим, но можем регистрировать приборами. Для измерений используются спектрометры. Эти приборы способны различать свечение в узких диапазонах оптического спектра. Напомним, что в синем свете доминируют компоненты излучения с длинами волн 400-450 нм, в зеленом диапазоне-450-550 нм, в красном - 550-650 нм. В белом свете в равных пропорциях присутствуют синие, зеленые и красные компоненты.
В зависимости от источников возбуждающего излучения люминесценция подразделяется на рентгенолю-минесценцию (РЛ) и фотолюминесценцию (ФЛ). Главное их отличие заключается в физических процессах, происходящих при возбуждении и испускании свечения.
Рентгенолюминесценция алмазов является рекомбинационным процессом и в большей мере характеризует кристаллическую структуру вещества. Для спектра РЛ алмаза характерна так называемая А-полоса свечения - широкий бесструктурный участок спектра в диапазоне длин волн от 330 до 600 нм с максимумом около 460 нм, визуально воспринимаемый как голубое свечение (рис. 3). Оно вызывается рентгеновским и гамма-излучением. Именно на возбуждении А-полосы люминесценции рентгеновскими лучами с последующей регис-
трацией исходящего свечения фотоэлектронными умножителями и основана рентгенолюминесцентная сепарация.
Характеристика голубой полосы А-люминесценции в природных и синтетических алмазах при возбуждении ее электромагнитным излучением и заряженными частицами с энергией, близкой к энергии края фундаментального поглощения, исследовалась П. Дином [1]. Показано, что А-полоса эффективно вызывается электронами с энергией более 500 эВ во всех исследованных образцах. Изучение влияния электрического и магнитного полей на вариации люминесценции позволило предположить, что излучение определяется наличием в алмазах определенного вида дефектов, являющихся центрами электронно-дырочной рекомбинации. В работе П. Дина и Дж. Мейла [2], которая является логическим продолжением предыдущей, на основе анализа процессов разгорания и затухания рентгенолюминесценции (кинетические характеристики) отмечено, что имеются, по крайней мере, два компонента свечения, отличающиеся постоянной времени затухания -«быст-рый» (< 1 мс) и «медленный» (> 50 мс). Данная работа подтвердила предположение, что процесс высвечивания А-полосы является рекомбинацией донорно-акцеп-торных пар. Последующие работы Е.Ф. Мартыновича и его коллег [3, 4, 5] показали, что сложная кинетика высвечивания А-полосы объясняется двухстадиальностью процесса. На основе исследований кинетических характеристик рентгенолюминесценции алмазов разработана серия сепараторов повышенной селективности. Эти аппараты отделяют алмазы от других люминесцирующих минералов тяжелой фракции по скорости затухания люминесценции после прекращения подачи возбуждающего импульса и более точно «распознают» алмазы среди других минералов.
Рис. 3. Нелюминесцирующий (слева) илюминесцирующий (справа)
бриллианты.
Фотолюминесценция - внутрицентровой процесс, при котором свечение определяется наличием так называемых центров люминесценции - примесей и дефектов в кристаллической структуре минералов. Она возбуждается, как правило, ультрафиолетовым (УФ) излучением. Цвет ФЛ минералов, в том числе алмазов, разнообразен и (в зависимости от состава примесей и дефектов) существенно изменяется от кристалла к кристаллу - например, голубой, зеленый, желтый, красный. Фотолюминесценция не используется для сепарации, поскольку часть алмазов не люминесцирует при УФ возбуждении, а другая их часть испускает излучение, трудно отличимое от свечения иных минералов. Примеси и дефекты, определяющие цвет ФЛ алмаза, несут информацию об условиях его кристаллизации. Небольшие изменения состава дефектов могут существенно изменить цвет излучения. Поэтому, как говорят геологи, фотолюминесценция «информативна» при геолого-поисковых работах.
Для природных алмазов характерно наличие оптически активных центров. В спектре они обозначаются как центр N3 - голубое свечение, центры S и Н - два различных семейства, дающие зеленое и желто-зеленое свечение, визуально довольно сходное. Оранжевую и красную люминесценцию дают центры с длинами волн 575 и 640 нм. В алмазах имеются и другие центры люминесценции, встречающиеся реже.
Распределение центров по объему алмаза, как правило, крайне неоднородно, что находит отражение в оптическом спектре (рис. 4, 5). Источники люминесценции сосредоточены в образованных при росте граней октаэдра слоях, которые чередуются либо с нелюминесцирую-щими, либо содержащими другие дефекты слоями. Особенности распределения дефектов в кристаллах алмаза хорошо известны. Здесь следует отметить работы наших земляков-A.B. Варшавского [6] и В.В. Бескрованова [7], а также зарубежных ученых [8].
Для изучения распределения источников люминесценции в объеме кристалла автором разработан метод люминесцентной томографии [9]. Этот метод является способом неразрушающего контроля и позволяет проводить исследования сотен кристаллов без их распиловки, получать статистически достоверные данные [10-15]. Цвет фотолюминесценции и последовательность смены люминесцирующих зон от центра кристалла к его периферии, а также объемная форма выявляемых в алмазе фантомов свидетельствуют об эволюции огранения в процессе роста и дают представление о ранних этапах кристаллизации. Возраст алмазов - около 1 млрд. лет. Это означает, что «записанная» природой в его кристаллах информация и проявляющаяся в виде цветовых картинок распределения дефектов (см. рис. 4, 5) столь же древняя.
Наблюдается закономерность. Для низкоалмазоносных коренных пород более обычны кристаллы с зеленой или синей люминесценцией, распределение источников которой по объему кристалла близко к равномерному. Для высокоалмазоносных месторождений характерны алмазы сложного многозонального строения, причем кристаллы из более богатых алмазами пород вероятнее дают в спектре свечения оранжевые и красные компоненты.
Поскольку особенности роста природных алмазов в низкоалмазоносных и высокоалмазоносных трубках проявляются в закономерностях распределения источников люминесценции по объему кристалла, то по исследованию отдельных находок алмаза можно прогнозировать потенциальную алмазоносность еще не открытых месторождений. На поиск бедных и богатых алмазами трубок расходуются одинаковые ресурсы, поэтому прогнозирование их алмазоносности является очень важной задачей на этапе поисковых работ. Метод люминесцентной томографии позволяет решать и ряд других прикладных геологических задач, например, по находкам алмазов
Рис. 4. Кристаллы алмаза с зональным внутренним строением.
Рис. 5. Кристаллы алмаза с секторальным внутренним строением.
Литература
Рис. 6. Рентгенолюминесцентные сепараторы на одной из обогатительных фабрик.
предсказывать наличие неизвестного коренного источника, осуществлять привязку россыпей к конкретным трубкам и т.д. Таким образом, использование явления люминесценции играет важную роль как на этапе поиска алмазных месторождений, так и при извлечении алмазов из руды (рис. 6).
В данной статье мы остановились только на люминесценции, но существуют и другие физические явления, использование которых в практической деятельности весьма перспективно. Однако разработки по их применению находятся пока на стадии лабораторных экспериментов или действующих макетов. Например, комбинационное рассеяние (КР) излучения в минералах также относится к области оптических эффектов. Исследования показывают, что на основе использования явления КР в качестве отличительного признака алмазов может быть сконструирован целый ряд радиометрических сепараторов с повышенной (по сравнению с рентгенолюми-несцентными) способностью к извлечению алмазов. Эти работы, несомненно, требуют продолжения и развития.
Рентгенолюминесцентная сепарация алмазов является основным обогатительным процессом алмазодобывающей индустрии, занимающей около 50 тыс. работников только в России. Специалисты-обогатители готовятся в ряде вузов нашей страны, но специалистов по радиометрической сепарации вообще и по рентгенолюми-несцентной сепарации алмазов, в частности, не выпускает ни один вуз. Процесс радиометрической сепарации имеет существенные отличия от тех, на которых основаны применяемые методы обогащения и требует не только владения электронной техникой, но и глубокого знания физики происходящих процессов.
Алмазодобывающая промышленность является наиболее важной, базовой отраслью Якутии. Исследования в области люминесценции минералов, физики твердого тела, оптики и спектроскопии способствуют повы-
1. Dean P.J. and Male J.C. Some properties of the visible luminescence exited in diamond by irradiation in the fundamental absorption edge // J. Phys. Chem. Solids. - V. 25. - 1964. - P. 13691383.
2. Dean P.J. Bound Exitations and Donor-Acceptor Pairs in Natural and Synthetic Diamond // Phys. Rev. -V. 39. - No 2A. - 1965. - P. A588-A602.
3. Мартынович Е.Ф., Морожнико-ва Л.В., Новиков В.В. Рентгенолюми-несценция алмазов // Люминесценция и спектральный анализ. - Иркутск: ИГУ, 1974.-№3.
4. МартыновичЕ.Ф., Морожнико-ва Л.В., Парфианович И.А. Спектральные и кинетические характеристики центров рентгенолюминес-
ценции в алмазе//ФТТ.-T.15.-V.4.- 1973. - С. 927-929.
5. Мартынович Е.Ф., Морожникова Л.В., Клюев Ю.А., Плотникова С. П. Рентгенолюминесценция природных алмазов разных типов // Вопросы теории и практики алмазной обработки. - М.: НИИМАШ, 1977. -С. 28-38.
6. Варшавский А.В. Аномальное двупреломление и внутренняя морфология алмаза. - М.: Наука, 1968. -92 с.
7. Бескрованов В. В. Онтогения алмаза. - М.: Наука,
1992.-165 с.
8. LangA.R. Topographicmethodsfor studdingdefects in diamonds // Diamond and related materials. - No2. -
1993.-P. 106-114.
9. Миронов В.П., Изенев B.A. Способ сортировки прозрачных кристаллических минералов / Авт. сеид. №1830225.-1992.
10. Миронов В.П. Закономерности во внутреннем строении алмазов Мало-Ботуобинского кимберлито-вого поля // Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. - № 3. - 1993. -С. 110-118.
11. Mironov V., Antonuk В. Distribution of the luminescent centers in Yakutian diamonds // Archiwum of mineralogy. - V. 50. -No2. -1994. -P. 3-11.
12. Antonuk В., Mironov V. Tree-stage growth model of the natural diamond of octahedron habit // Proc. of the 7-th JnternationalKimberlitic Conf., Cape Town, 1998.-P. 23-26.
14. Mironov V. Internal morphology of diamond from Udachnaya pipe according to the data of luminescence tomography method // Proc. of the 7-th Jnternational Kimberlitic Conf. Cape Town, 1998,-P. 597-601.
15. Миронов В. П., Митюхин С. И. Поглощение, люминесценция и внутренняя морфология алмазов бассейна р. Тунгуски//Гзология и геофизика. -Т. 42,- №5. -2001.-С. 831-840.
шению экономической эффективности этой отрасли и имеют важнейшее народнохозяйственное значение. Поэтому такие исследования должны входить в состав приоритетных направлений республиканской науки.
