14 сентября 2020

В НИИАР с помощью радиационных технологий проводят окраску драгоценных камней

Страна Росатом / НИИАР Пульт управления реактора РБТ‑6, в канал которого ставят контейнер с топазами для облучения Страна Росатом / НИИАР

Голубой топаз — ​один из самых красивых ювелирных камней. Большинство от природы бесцветны, необычные оттенки — ​работа случайности и времени. Но люди не ждут милости от природы и красят топазы сами. НИИАР — ​единственное в России место, где по специально созданной технологии эти минералы колорируют.

В пьесе Оскара Уайльда «Саломея» царь Ирод рассказывает падчерице о необычных драгоценностях, которыми владеет: «У меня есть желтые топазы, как глаза тигров, и розовые топазы, как глаза голубей, и зеленые топазы, как глаза кошек». То, что он перечисляет, действительно редкости. Топаз — ​камень распространенный, но от природы обычно лишен цвета. Иногда попадаются винные, зеленоватые, розово-оранжевые, разных оттенков коричневого. Как правило, окраска слабая и под действием света постепенно пропадает. Встречаются и яркие топазы — ​они так же дороги, как и редки.

При этом на ювелирном рынке можно без труда найти топазы самых разных расцветок (очень популярны голубые, например), и это будут не подделки, а настоящие камни, подлинность которых подтвердит самая авторитетная лаборатория. Просто природе помогают физики.

Что такое топаз? Это островной силикат, его структура — ​изолированные кремнекислородные тетраэдры, между ними — ​ионы алюминия. Их окружают кислород и фтор. В процессе роста в кристаллической решетке могут образовываться дефекты. Отсутствие какого-либо атома там, где он должен быть, в минералогии называют вакансиями. Цвет зависит от того, какого атома нет: например, вакансия фтора дает желтоватую окраску, вакансия кислорода — ​голубоватую.

Обрабатываются и ограненные, и неограненные камни

В природе формирование кристаллов — ​процесс долгий и непредсказуемый. С помощью радиационных технологий можно придать топазу нужный цвет нужной насыщенности. В России это делают в лаборатории реакторного исследовательского комплекса НИИАР в Димитровграде. «Можно воздействовать на топаз потоками нейтронов или других элементарных частиц, — ​рассказывает Антонина Ларина, начальница участка радиационного окрашивания минералов. — ​Эти потоки, проходя через кристаллическую решетку и взаимодействуя с ней, приводят к окрашиванию кристалла. Практически невозможно определить, был топаз окрашен в естественных условиях или в результате обработки, потому что мы делаем то же самое, что природа, только намного быстрее».

В НИИАР за топазы взялись в 2005 году. Никакого опыта у института не было — ​только запрос от иностранного партнера. В СССР предпринимались попытки разработать технологию изменения цвета этих минералов, но дальше дело не пошло.

«Режим облучения мы выводили экспериментально, — ​рассказывает Антонина Ларина. — ​Сложность в том, что не бывает двух одинаковых кристаллов. Они различаются по размеру, водонасыщенности, температурно-структурным особенностям, видам и концентрации примесей. При повышении температуры те же примеси могут привести к тому, что окраска будет неравномерной. Нужно было разработать на базе нашей реакторной установки РБТ‑10/2 устройство, которое бы обеспечивало качественное окрашивание топазов. После многочисленных экспериментов нам удалось это сделать».

Сейчас в «топазной» группе 10 человек — ​научные сотрудники, инженеры и операторы облучательных устройств. Процесс такой. Камни помещают в стаканы из алюминия, стаканы — ​в контейнер и заполняют гелием. Контейнер закладывают в канал реактора. Время рассчитывается для каждой партии индивидуально, это делает компьютерная программа, в которой ведут учет всех этапов работы, от поступления топазов до хранения окрашенных камней.

«После облучения контейнер извлекается и помещается на выдержку, — ​продолжает Антонина Ларина. — ​Через несколько суток с ним можно работать. Достаем камни, раскладываем по размеру, спектрометром измеряем активность и делим на две группы. В первую попадают камни, которые не требуют дальнейшей выдержки, во вторую те, которые в ней нуждаются. Время выдержки мы определяем по составу накопившихся изотопов — ​обычно это один-два месяца, после чего топазы полностью пригодны для использования, их можно обрабатывать и носить».

Гелий в контейнерах — ​ноу-хау НИИАР. Он снижает температуру во время облучения. Изначально перед специалистами стояла задача не просто получить определенный цвет, а добиться того, чтобы он был устойчивым к нагреванию и свету. Для обработки топазов необходимы потоки быстрых нейтронов с энергией больше 0,5 МэВ, а температура в контейнере не должна превышать 150 °C — ​тогда все процессы в кристаллической решетке пройдут правильно и окрашивание будет таким, какое требовалось.

Чтобы подобрать режимы и добиться стабильного результата, сотрудники лаборатории реакторного исследовательского комплекса два года вели опытные работы. Не раз получались недостаточно окрашенные камни или оказывалось, что они с зеленоватым оттенком — ​значит, температура была превышена. Приходилось менять конструкцию контейнера и экспериментировать дальше. Одним из результатов и стало решение использовать гелий.

Сотрудники НИИАР разрабатывали технологию окрашивания камней в конкретные оттенки синего. В настоящий момент там делают топазы Swiss blue (швейцарский голубой) и более насыщенного оттенка London blue (лондонский голубой). Последний сейчас в тренде. Чтобы цвет был глубже, камни должны подвергаться более длительной обработке — ​контейнер находится в реакторной установке в три-четыре раза дольше, чем для получения небесно-голубого цвета. Несмотря на отточенную технологию и стабильный результат, окрашивание все равно начинают с пробной партии.

Если бы понадобилось окрашивать минералы в другие оттенки, пришлось бы начинать все заново — ​с разработки технологии.

«Топазы — ​живой материал, с которым очень интересно работать, — ​говорит Антонина Ларина. — ​Они разные и по форме, и по размеру. Приходится вносить корректировки в процесс даже в зависимости от того, с какого месторождения партия. Но и камни с одного месторождения могут содержать разные примеси. На чистоту топаза влияют соседние породы, геологические работы — ​то, как ведется разработка, и многое другое. И любая примесь может сыграть негативную роль. Все время что-то новое, каждый раз приходится ломать голову над тем, какой режим выбрать для конкретных камней, поэтому мы обязательно проводим тестовые облучения, чтобы при обработке основной массы топазов получить стабильный результат — ​прекрасные чистые оттенки синего, которые так ценятся на рынке».

Научно–исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР) создан в 1956 г. по инициативе академика И.В. Курчатова для инженерных и научных исследований в области атомной энергетики. В 2008 году институт преобразован в Открытое акционерное общество "Государственный научный центр - Научно-исследовательский институт атомных реакторов" (ОАО "ГНЦ НИИАР") и вошел в состав ин­тегри­ро­ван­ной компании ОАО "Атомэнергопром" со 100% го­су­дарст­вен­ным капиталом. В настоящее время НИИАР является крупнейшим в России научно-исследовательским экспериментальным комплексом гражданской атомной энергетики.