Tổng hợp kim cương bằng thiết bị BARS

1. Mô tả phương pháp

Kim cương tổng hợp được được sản xuất bằng cách tác dụng áp suất cực cao (65 Kb) lên một khối các-bon được đặt trong nhân phản ứng, và nung nóng nhân phản ứng lên tới nhiệt độ cần thiết trong đó kim cương ổn định nhiệt động.

Nuôi cấy kim cương bằng phương pháp HPHT thông qua sự khuếch tán các bon qua một màng kim loại mỏng trong môi trường có chất xúc tác kim loại tan chảy.

Trong khi phương pháp thương mại nhất là sản xuất kim cương hạt nhỏ hoặc tương đối nhỏ, thì đã có những phương pháp sản xuất kim cương lớn hơn nhiều. Những phương pháp này thường liên quan tới sản xuất kim cương trong nhân phản ứng, mà ở đó có sự chênh lệch nhiệt độ định trước giữa kim cương mầm và nguồn các bon. Kim cương mầm được đặt tại điểm mà nhiệt độ môi trường phản ứng sẽ gần với giá trị nhỏ nhất trong khi nguồn các bon được đặt tại vị trí có nhiệt độ gần giá trị lớn nhất.

Bằng cách điều chỉnh một cách rất cẩn thận áp suất và nhiệt độ đồng thời sử dụng những khoảng độ dốc chênh lệch nhiệt độ tương đối nhỏ và kéo dài thời gian nuôi cấy thì những hạt kim cương lớn hơn có thể được sản xuất bằng phương pháp HPHT.

Có những thực nghiệm tin cậy sản xuất kim cương chất lượng rất cao, tuy đã có một số loại trừ lẫn nhau, nhưng vẫn còn có những vấn đề xảy ra đồng thời. Những vấn đề này gồm xu hướng tạo mầm tự phát của tinh thể kim cương gần kim cương mầm (nó xảy ra với sự tăng độ chênh lệch nhiệt độ cao hơn giá trị an toàn). Nếu giai đoạn phát triển được kéo dài để sự phát triển kim cương từ mầm lớn hơn 1/20 carat, sự phát triển tạo mầm cạnh tranh với sự phát triển từ kim cương mầm rồi sau đó xảy ra sự va chạm của nhiều tinh thể dẫn đến tạo ra ứng suất gãy trong tinh thể trưởng thành.

Một vấn đề khác nữa là sự hòa tan, phân hủy hoàn toàn hoặc một phần của chất liệu hạt mầm kim cương trong dung môi kim loại-chất xúc tác nóng chảy trong suốt chu trình mà ở đó môi trường dung môi kim loại-chất xúc tác trở nên bão hòa với cacbon từ nguồn chất nuôi dưỡng và sau đó tan chảy. Sản phẩm phân hủy này không phối hợp với sự phát triển kim cương diễn ra từ vị trí vách ngăn, dẫn tới sự phát triển lộn xộn, nứt rạn của tinh thể kim cương.

Ngoài việc khắc phục các vấn đề về tạo hạt mầm tự động của kim cương và sự phân hủy hạt mầm kim cương, người ta mong muốn có thể thực hiện được sự điều chỉnh lặp lại được với chu trình nuôi cấy kim cương, và do đó có thể sản xuất các sản phẩm kim cương mới lạ, ví dụ như kim cương có các thành phần màu sắc, đặc tính độc đáo, độc nhất cũng như là đủ khả năng tối ưu hóa một hoặc nhiều hơn các đặc tính vật lý trong mỗi một viên kim cương.

Thiết bị BARS

2. Mô tả ngắn gọn bản vẽ

Mặt cắt đứng của mô hình thiết bị

Hình 1: Mặt cắt đứng của mô hình thiết bị.

Sơ đồ cấu hình hệ thống thiết bị

Hình 2: Sơ đồ cấu hình hệ thống thiết bị.

3. Mô tả chi tiết về mô hình

Quay lại hình vẽ, hình 1 là mặt cắt đứng của thiết bị BARS. Thiết bị BARS 10 gồm có buồng nuôi cấy hình khối cầu 12 và các kẹp an toàn 14 trên mặt đối diện của buồng nuôi cấy 12.

Buồng nuôi cấy 12 gồm có: một vỏ ngoài có nửa trên và nửa dưới, với một khoang 16 trong đó bố trí các đe ngoài 18, đe trong 20, và lõi phản ứng 22. Khi hoạt động, nửa trên và nửa dưới của buồng nuôi cấy 12 được đặt khít với nhau, áp lực tác dụng lên đe ngoài 18, từ đó tác dụng áp lực lên đe trong 20, đe trong 20 tác dụng áp lực lên lõi phản ứng 22. Lõi phản ứng 22 được nạp nguồn than chì, một mầm kim cương và hỗn hợp dung môi/chất xúc tác kim loại dùng để sản xuất kim cương tổng hợp. Nguồn than chì, mầm kim cương và dung môi/ chất xúc tác kim loại thường được biết đến trong kỹ thuật, và bất kỳ vật liệu nào như vậy đều thích hợp dùng trong thiết bị này.

Thiết bị BARS 10 có ít nhất một đường ống dẫn 28 cho phép kết nối buồng nuôi cấy 12 ra bên ngoài. Trong mô hình ở hình 1, đường ống dẫn 28 là đường dẫn 2 chiều, cho phép người dùng hút khí và các chất khác ra khỏi buồng nuôi cấy 12, hoặc đưa khí/ vật liệu khác nhau vào trong buồng nuôi cấy 12. Ví dụ, người dùng muốn loại bỏ càng nhiều tạp chất ra khỏi buồng nuôi cấy càng tốt, một cái bơm có thể được gắn vào thiết bị 10 trên đường ống dẫn 28 và máy bơm có thể hút tạp chất khí ra khỏi buồng nuôi cấy 12.

Thiết bị BARS 10 (trong hình 1) còn có đường ống dẫn 30, thông qua đó dầu áp lực cao được đưa vào khoang trong bao quanh buồng nuôi cấy 12. Dầu được đưa vào để đảm bảo áp lực tác dụng đồng đều lên mỗi đe ngoài 18, do đó áp lực tác dụng đồng đều lên các thành phần còn lại trong buồng nuôi cấy 12, gồm đe trong 20 và lõi phản ứng 22.

Đường ống dẫn 28 cũng được dùng để đưa nước vào buồng nuôi cấy 12. Nước được đưa vào trong buồng nuôi cấy 12 để làm mát và duy trì nhiệt độ của đe ngoài 18 và đe trong 20. Nước được truyền xung quanh đe ngoài 18 và đe trong 20, đệm 32 được đặt giữa các đe trong 20 liền kề bịt kín lõi phản ứng 22 để nước không tới lõi phản ứng 22.

Lõi phản ứng 22 được đốt nóng bởi sự gia nhiệt điện trở bằng cách tạo ra dòng điện chạy xuyên qua đe ngoài 18 và đe trong 20. Đệm 32 hoạt động như tấm cách điện bằng cách giữ không để các đe trong 20 chạm nhau, dẫn đến ngắn mạch hệ thống điện. Đệm 32 còn giúp cân bằng lực tác dụng lên lõi phản ứng 22 từ đe trong 20.

Mô hình thiết bị BARS (hình 1) cũng có thể có ít nhất một biến áp (không được chỉ ra trên sơ đồ), nó hỗ trợ trong việc gia nhiệt điện trở của lõi phản ứng 22. Máy biến áp dùng để thay đổi điện áp cấp cho lõi phản ứng 22 từ nguồn điện chính. Trong kỹ thuật, giá trị công suất hoặc cường độ dòng điện cấp cho lõi phản ứng được đo tại nguồn cung cấp chính dựa trên nhiệt độ mong muốn của lõi phản ứng và điện trở, mạch điện khác được đặt trong máy. Bằng cách đo dòng điện chạy qua máy biến áp, mạch điện được đơn giản hóa khi các điện trở bổ sung không cần thiết để đảm bảo đo dòng điện chính xác cung cấp cho lõi phản ứng. Hơn nữa, bằng cách đo dòng điện chạy qua máy biến áp sẽ kết nối với bộ điều khiển nhiệt độ của lõi phản ứng tốt hơn, dễ dàng phát hiện những biến động nhỏ của dòng điện và điều khiển nhiệt độ của nhân phản ứng.

Áp suất và nhiệt độ cần thiết để sản xuất kim cương tổng hợp trong máy BARS khoảng 65Kb – 85 Kb và khoảng 1400 – 15000C. Điều quan trọng là vật liệu dùng chế tạo máy ép, cũng như các đe ngoài, đe trong, phải được lựa chọn để chịu đựng được những điều kiện khắc nghiệt như vậy. Đó là điều tin cậy để sản xuất kim cương tổng hợp, nó cũng cần thiết để duy trì sự điều khiển đồng bộ các thông số khác nhau được cài đặt trong máy BARS. Các thông số này có thể gồm: áp lực cấp cho lõi phản ứng, nhiệt độ của lõi phản ứng, tốc độ nước làm mát, nhiệt độ nước làm mát và giá trị cường độ dòng điện chạy qua máy biến áp trong máy ép.

Có nhiều khó khăn để duy trì tính đồng bộ của các thông số khi nhiều máy BARS được dùng để sản xuất kim cương tổng hợp. Ví dụ, nếu dòng điện qua máy biến áp trong máy ép thứ 1 nhỏ hơn dòng điện qua máy biến áp trong máy ép thứ 2, nhiệt độ ở 2 máy ép có thể khác nhau, dẫn đến những biến thể kim cương tổng hợp được sản xuất trong những máy ép tương ứng. Do đó, người ta đã phát triển một hệ thống mới để nuôi cấy nhiều kim cương tổng hợp bằng cách dùng đồng thời nhiều máy ép và sử dụng máy tính trung tâm để giám sát/ điều khiển cùng lúc nhiều máy ép.

Hệ thống BARS

Trở lại hình 2, chúng ta thấy hệ thống 50 để nuôi cấy lượng lớn kim cương tổng hợp. Hệ thống 50 gồm nhiều máy BARS 52 để nuôi cấy kim cương tổng hợp.

Hệ thống 50 cũng bao gồm máy tính trung tâm 54. Mỗi máy 52 được kết nối với máy tính trung tâm 54 và được giám sát/ điều khiển bởi máy tính trung tâm này. Máy tính trung tâm 54 có một chương trình để giám sát các biến số và các thông số ở mỗi máy ép 52. Những thông số được giám sát bởi máy tính trung tâm 54 là những thông số trong mỗi máy ép 52 được mô tả ở trên liên quan tới độ tin cậy sản xuất kim cương tổng hợp.

Đặc biệt, máy tính trung tâm 54 giám sát và điều khiển ít nhất những thông số sau đây trong mỗi máy ép 52:
- Áp lực tác dụng tới lõi phản ứng,
- Nhiệt độ lõi phản ứng,
- Tốc độ nước làm mát,
- Nhiệt độ nước làm mát,
- Giá trị cường độ dòng điện chạy qua máy biến áp trong máy ép
- Và sự liên kết giữa các thông số.

Các thông số và biến số khác ở trong mỗi máy 52 cũng có thể được giám sát và điều khiển bởi máy tính trung tâm 54. Trong mô hình ở hình 2, máy tính trung tâm kết nối với 4 máy BARS. Tuy nhiên, trên thực tế mỗi máy tính trung tâm 54 có thể giám sát từ một đến khoảng 20 máy ép cùng một lúc.

Như được chỉ ra ở trên, sự biến đổi ở các thông số khác nhau của máy ép HPHT dẫn đến sự biến đổi kích thước, màu sắc và chất lượng của kim cương tổng hợp được sản xuất. Bằng cách giám sát và điều khiển sự biến đổi thông số sử dụng máy tính trung tâm, ta đạt được tính đồng bộ của các thông số giữa các máy khác nhau, dẫn đến sản phẩm được sản xuất có chất lượng đồng đều cao hơn.

Máy tính trung tâm cũng cho phép lưu trữ các dữ liệu trong quy trình sản xuất để người quản lý dễ dàng truy cập và so sánh. Nếu kim cương tổng hợp không được tạo ra như mong đợi, máy tính trung tâm sẽ có bản ghi các thông số vận hành để xác định nguyên nhân của vấn đề.

Hệ thống 50 cũng có nguồn nước trung tâm 56 để cấp nước tới mỗi máy 52. Nguồn nước trung tâm 56 cấp nước tới mỗi máy 52 thông qua đường ống liên kết 58. Nhiệt độ của nước có thể được nâng lên hoặc hạ xuống bởi nguồn nước trung tâm 56. Bằng cách dùng nguồn nước trung tâm 56 để cấp nước cho mỗi máy 52, nước được cấp tới mỗi máy sẽ có nhiệt độ giống nhau. Nhiệt độ nước như nhau, kết hợp với giám sát và duy trì sự đồng bộ với các thông số khác của máy, giúp tối ưu hóa quy trình nuôi cấy kim cương tổng hợp trong hệ thống.

Nguyễn Khải

Tìm kiếm

Mới Cập Nhật