JP2004505765A - ダイヤモンドの高圧高温製造 - Google Patents

Abstract

本発明は、帯色天然ダイヤモンド、特にＩＩａ型ダイヤモンド及び窒素が主にＢセンターとして存在するＩａＡ／Ｂ型ダイヤモンドを処理してその色を改善する方法に関する。当該方法は、高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）プレス内での破壊を防止するため帯色天然ダイヤモンドをプレブロッキング及び予備整形し、帯色天然ダイヤモンドを圧力伝達媒体中に配置し、圧密化してピルとすることを含む。次いで、ピルを、ダイヤモンドの色を改善するのに十分な時間、炭素状態図の黒鉛安定域又はダイヤモンド安定域内の高圧高温を有するＨＰ／ＨＴプレスに配置する。最後に、ダイヤモンドをプレスから回収する。この方法で無色及びファンシーカラーダイヤモンドを製造できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は、概括的には宝石品質のダイヤモンド（無色及びファンシーカラーダイヤモンド）の製造に関し、さらに具体的には低品位の帯色ダイヤモンドもしくはいわゆる「褐色」ダイヤモンドからの宝石品質のダイヤモンドの製造に関する。
【０００２】
ダイヤモンドは従来主にＩａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型と呼ばれる四種類に分類されている。実際には、これら四種類の間での不純物濃度／配置の変化はなめらかであり、それらの間には中間種も存在する。Ｉ型ダイヤモンドは、主な不純物として窒素を含有している。このカテゴリーは、窒素が窒素原子対（ＩａＡ型）又は４原子窒素クラスター（ＩａＢ型）又はこれらの混成型（ＩａＡ／Ｂ型）として凝集状態で存在するＩａ型ダイヤモンドと、窒素が孤立した単窒素原子としてのみ存在するＩｂ型ダイヤモンドとに分けられる。ある種のダイヤモンドは、Ｎ３センターと呼ばれる３原子窒素クラスターも含んでいる。大形の透明天然ダイヤモンドの９８％以上はＩａ型である。Ｉｂ型ダイヤモンドは稀であり、天然石のわずか０．８％にすぎない。Ｉａ型ダイヤモンドは薄板（ｐｌａｔｅｌｅｔ）も含んでいるが、これは厚さ数原子・直径３００原子程度の小さな平板状内包物であり、未確認の形態の窒素が含まれている可能性もある。Ｉａ型ダイヤモンドは、空孔又は未知の形態の窒素を含む小さな等軸キャビティであるボイダイト（ｖｏｉｄｉｔｅ）を含有していることもある。ボイダイトは、主にＩａＡ／Ｂ型又はＩａＢ型ダイヤモンドにみられる傾向がある。
【０００３】
一般に、すべての窒素含有ダイヤモンドは、結晶成長時に取り込まれた孤立窒素原子を含有するＩｂ型として出発したものと考えられる。長い年月（おそらくは１０億年にも達する期間）の間に、ダイヤモンドは地球のマントル内部で１０００〜１３００℃の温度及び高圧下でアニールされた。この間に、窒素原子はダイヤモンド中を移動し、主に２種類の凝集体（すなわち、２原子対又は４原子クラスター）を形成した。４原子窒素クラスターは、移動する窒素対同士が衝突したときに形成されると考えられる。従って、進行過程はＩｂ型−ＩａＡ型−ＩａＡ／Ｂ型−ＩａＢ型であると考えられる。少量の窒素が共通の空孔を取り囲む３個の窒素原子の平面配列であるＮ３センターとして凝集することもある。かかるセンターは、凝集プロセスにおいて孤立窒素原子が窒素対と結合したときに形成されると考えられる。Ｉａ型ダイヤモンドにおけるＮ３センターの濃度が相対的に低いことから、Ｎ３センターはＡセンターやＢセンターよりも不安定であるらしい。アニールがＩａＡ型段階に進むとすぐに薄板が生じる。アニールのＩａＢ型段階でＢクラスターが形成され顕著化すると、一部の薄板の分解とボイダイトの形成が起こる。
【０００４】
ＩＩ型ダイヤモンドは窒素を全く含んでいない。ＩＩ型ダイヤモンドはさらにＩＩａ型とＩＩｂ型に分けられる。ＩＩａ型ダイヤモンドは不純物を全く含んでいない。ＩＩｂ型ダイヤモンドはｐｐｍ程度のホウ素を含有しており、極めて稀である。
【０００５】
ダイヤモンドの色は、無色透明から黄色、橙色、赤色、青色、褐色、さらには緑色のものまで多岐にわたる。天然ダイヤモンドでは、褐色味を帯びているのが最も普通であり、採掘された天然ダイヤモンドの９８％にものぼる。窒素を含有するＩａＡ型ダイヤモンドは、すべての窒素がＡ又はＢセンターに結びついていれば無色となり得る。しかし、孤立窒素原子又はＮ３センターが存在すれば、ダイヤモンドは黄味を帯び、その色調はこれらの形態の窒素原子の濃度に依存する。通例、Ｎ３センターは「ケープイエロー」と呼ばれる色褪せた黄色を生じるのに対して、孤立窒素原子はその濃度が十分に高ければもっと豊かで生気のある「カナリーイエロー」を生じる。わずかな黄色が存在するだけでそれ以外は無色のダイヤモンドであっても、その市場価格は著しく低下しかねない。ただし、豊かな深い黄色は非常に高い市場価値を有する「ファンシー」イエローを生み出すこともある。
【０００６】
採掘されたＩａ型ダイヤモンドの大半は褐色味を帯びた色を有する。褐色は他の多くの基本色の混合から生じ得る。一つの経路は、孤立窒素原子又はＮ３センターに由来する黄色とおそらくは黒鉛の超顕微鏡的内包物に由来する黒色との混合である。黄色と黒色との混合は褐色を生じる。褐色ダイヤモンドを作る別の経路は、緑色ダイヤモンドを生じる色中心と赤色ダイヤモンドを生じる色中心との混合である。赤色と緑色の混合も褐色を生じる。実際、褐色を生じる色の組合せの数は無数に存在する。そのため、ダイヤモンドの色の原因となる色中心をその色から決定することは不可能である。しかし、逆のプロセスは一意的であり、ダイヤモンド中の色中心の種類と濃度が分かれば、生じる色を予測することができる。
【０００７】
ＩＩ型ダイヤモンドは無色から濃青色のものまである。ＩＩａ型ダイヤモンドは、無色のときに最も価値がある。過度の機械的変形及び塑性流れはダイヤモンドに赤褐色又はピンク色の色合いを付えると考えられており、その価値を大きく下げる。天然のＩＩａ型ダイヤモンドの多くはこうした色合いを有しており、仮に無色にすることができれば、宝石としての価値を大幅に高めることができよう。ある種のＩＩａ型ダイヤモンドは内部に鉄灰色の曇りを有しており、これもその価値を大きく下げる。ＩＩａ型ダイヤモンドを処理してその価値を高めようという従前の試みは失敗に帰している。Ｇ．Ｌｅｎｚｅｎ，Ｄｉａｍｏｎｄｓ　ａｎｄ　Ｄｉａｍｏｎｄ　Ｇｒａｄｉｎｇ，ｐ．２０７，Ｂｕｔｔｅｒｓｗｏｒｔｈ，Ｌｏｎｄｏｎ（１９８３）。中性子及び電子照射に続いてアニールを行うと、ＩＩａ型ダイヤモンドは褐色に変わり、ダイヤモンドの価値が大幅に低下した。
【０００８】
ＩＩｂ型ダイヤモンドは、ホウ素不純物に由来する青色を有している。ＩＩｂ型ダイヤモンドはその稀少性だけでなく、その魅力的な青色ゆえに、宝石類として１カラット当たり最高の価値を有する。
【０００９】
一般に、ダイヤモンドの価格はその色によって大きく左右される。カナリーイエロー、ブルー、レッド、ピンク及びグリーンダイヤモンドのようなファンシーカラーダイヤモンドは稀少性があり、最高の価格を有する。その稀少性ゆえに、これらの市場は十分に組織化されておらず、通常はサザビーズ又はクリスティーズ方式のオークションで販売されている。褐色ダイヤモンドはファンシーカラーダイヤモンド市場の例外である。褐色ダイヤモンドは極めてありふれたもので、従前は工業用ダイヤモンドとして選別・使用され、その分安価である。ファンシーカラーダイヤモンドの次に無色ダイヤモンドが最高の価格を有する。無色度はダイヤモンドの価格に強い非線形的効果を有する。ごくわずか黄味を帯びているだけで、無色ダイヤモンドの価格は大きく低下しかねない。
【００１０】
ファンシーカラー、無色及び褐色ダイヤモンドの相対価格に鑑みれば、褐色ダイヤモンドを無色ダイヤモンド又はファンシーカラーダイヤモンドに変えることには強い経済的動機が存在する。かかるダイヤモンドの色を魅力のない低品位色から魅力的な青色、緑色、橙色、黒色及び黄色に変えるため、照射が多用されてきた。ダイヤモンドに照射で生じる色中心を生じさせるため、電子、中性子、γ線及びα粒子が使用されている。良好な透過力のためダイヤモンドの色の均一性が増すことから、中性子、γ線及び電子の照射が好ましい。中性子放射化によってダイヤモンドの内包物に放射性核種が生成することがあるので、中性子の使用には多少の危険が存在する。また、典型的な照射処理ではダイヤモンドの外側部分に限られた表在的な色しか生じない。
【００１１】
基本的に、種々異なる放射線はいずれもダイヤモンドに空孔を生じるが、かかる空孔は可視スペクトルにおいてＧＲ１バンドとして認められる。ＧＲ１バンドによる吸収は、ダイヤモンドに緑色、青緑色、濃緑色、さらには黒色を生じる。空孔色中心を高温アニールによって変化させると、青色からピンク色−赤色−緑色の範囲の色を生じさせることができる。照射で導入された多数の空孔はダイヤモンド中の窒素その他の不純物の移動度を一時的に増大させるので、アニールは６００℃程度の低温で実施できる。最終的には、空孔はダイヤモンド中の自由表面、転位及び内包物界面のような空孔シンクまで移動して吸収される。当然、空孔が消失すると、ダイヤモンドの色に対するその直接的影響も減少する。そこで、色は青色から緑色−褐色−黄色への系列を徐々に辿ってダイヤモンドの本来の色に戻る。所望の色を生じさせるにはアニール系列のある時点でアニールを止めればよい。照射段階とアニール段階を何度も実施すれば、さらに色を操作することができる。
【００１２】
「処理」ダイヤモンドは天然ダイヤモンドよりも低い価格が付けられるので、近年、ダイヤモンドに残る照射の明らかな痕跡を消すために段々と高い温度でダイヤモンドのアニールが行われるようになってきた。空孔に由来するＧＲ１線は、空孔がアニールによって結晶からなくなるので、４００℃を超えると消失し始める。ただし、その他の照射線は温度を高くしても残る。ダイヤモンドの照射及びアニール処理に関する情報の多くは、かかる処理を行う団体の営業秘密とされている。
【００１３】
Ｇｅｍｓ　＆　Ｇｅｍｏｌｏｇｙ，ＸＸＸＩＩＩ，ｐｐ．１３６−１３７，（Ｓｕｍｍｅｒ，１９９７）には、おそらく照射及び熱処理されたと思われる緑黄色ダイヤモンドの例が報告されている。１カラットのラウンドブリリアント石数個が試験のためＧＩＡ研究所に提出された。分光学的調査の結果、ＧＩＡはこれらのダイヤモンドが処理されたものであるとの結論を下した上で、これらが照射後１４５０℃を上回る温度に加熱されたものと推論している。これら２個の石には、７４１ｎｍのＧＲ１線及び照射と熱処理の組合せに由来するＨＩｂ及びＨＩｃ線のような通常の照射痕跡は存在しなかったが、近赤外域の９８５ｎｍに吸収ピークが認められた。処理石の検出は科学よりは技術上の問題であるが、５９５ｎｍ、１９３６ｎｍ及び２０２４ｎｍに吸収ピークのないダイヤモンドは「九分九厘処理されていない」と一般に信じられている。Ｊ．Ｗｉｌｋｓ他，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｄｉａｍｏｎｄｓ，ｐ．９１，Ｂｕｔｔｅｒｓｗｏｒｔｈ，Ｌｏｎｄｏｎ（１９９１）。
【００１４】
結晶がＮ３センターによるわずかな黄味を帯びたＩａ型ダイヤモンドが、照射及びアニール処理に最も普通に選択されてきた石である。こうした石を電子又は中性子照射した後で熱処理すると、Ｈ３（窒素−空孔−窒素）及びＨ４（窒素−窒素−空孔−窒素−窒素）センターが生じ、石は好ましい黄金色となる。発光しないダイヤモンドは、発光するダイヤモンドよりも魅力的な色を与えることが判明している。Ａ．Ｔ．Ｃｏｌｌｉｎｓ，Ｊ．Ｇｅｍｏｌｏｇｙ，ＸＶＩＩＩ，ｐｐ．３７−７５（１９８２）。明らかに、石に存在する色中心は照射及び熱処理で生じた色を増すが、得られる色は望ましいものでない。
【００１５】
Ｎ３センターの濃度を変えると、ダイヤモンドの黄色が変化するだけでなく、ダイヤモンドの実際のブリリアンスつまりダイヤモンドで反射される光量も増大させることができる。Ｎ３センターの周囲の電子は、自然光スペクトルの紫外部の光を吸収するだけでなく、可視スペクトルの青色光も吸収する。通常の日光では、光のエネルギーの約１／５は紫外線の形態である。Ｎ３濃度が比較的高い（すなわち、１００ｐｐｍ）と、青色可視光が強く吸収され、ダイヤモンドははっきりとした黄色を示し、その価値は下がる。しかし、何らかの処理によってＮ３センターの濃度を下げて黄色を消失させれば、残りのＮ３センターは二段階過程でダイヤモンドのブリリアンスに作用する可能性がある。まず、紫外光子がＮ３センターによって吸収される。そのエネルギーは一時的にＮ３センターに貯蔵される。このエネルギーの一部はフォノン又は格子振動の形で放出される。該センターの半減期で決まる貯蔵時間後、Ｎ３センターは残りのエネルギーを光として再放出する。一部のエネルギーは既に失われているので、再放出される光はスペクトルの高エネルギー紫外域にはない。その代わり、再放出される光は可視スペクトル域にある（これを表す技術用語は「紫外線の長波長シフト」である）。我々には紫外線は見えないので、紫外線の吸収には気付かない（紫外線を見ることのできるミツバチのような動物には、Ｎ３センターによる紫外線の吸収でダイヤモンドのブリリアンスが減少するのが見えるであろう）。我々に見えるのは可視スペクトルの発光の増加だけであり、そのためダイヤモンドは特に輝いて見える。そこで、Ｉａ型ダイヤモンド中のＮ３センターを何らかの処理によって適度に低減させれば、Ｎ３センターを含有するダイヤモンドの価値は次の二点で向上する。第一に、一部のＮ３センターの除去によってダイヤモンドの黄味が低減又は消える。第二に、残りのＮ３センターによって、完璧なＩＩａ型ダイヤモンドよりもダイヤモンドのブリリアンスが増す。
【００１６】
天然Ｉａ型ダイヤモンドの色を変える別のアプローチは、窒素原子の易動度が増すダイヤモンド安定域の非常に高い温度及び圧力に移すことである。温度が１００℃上昇する毎に、ダイヤモンド中の窒素の易動度は略１桁増す。Ｅｖａｎｓ他，Ｐｒｏｃ　Ｒｏｙ　Ｓｏｃ　Ｌｏｎｄ，ａ３４４，１１１−１３０（１９７５）及びＢｏｎｚｅｌ他，Ｐｒｏｃ　Ｒｏｙ　Ｓｏｃ　Ｌｏｎｄ，Ａ３６１，１０９−１２７（１９７８）では、窒素を含有するＩａ型ダイヤモンドを、８５キロバール（ｋｂａｒ）もの高い安定化圧力（すなわち、ダイヤモンド安定域）で１９６０℃を上回る温度のダイヤモンド安定域でアニールしている。加圧は、炭素の圧力−温度状態図のダイヤモンド安定領域にダイヤモンドを保つのに必要である。Ｆ．Ｐ．Ｂｕｎｄｙ，Ｐｈｙｓｉｃａ，Ａ１５６，１６９−１７８（１９８９）。さもないと、かかる高温にダイヤモンドを暴露するとダイヤモンドの急速な黒鉛化を招く。ダイヤモンド安定相と黒鉛安定相との関係は、Ｓｉｍｏｎ−Ｂｅｒｍａｎ線で定義されることが広く認められている。Ｓｉｍｏｎ−Ｂｅｒｍａｎ線は、相／温度（ＰＴ）プロットでダイヤモンド安定域と黒鉛安定域とを分ける。Ｃ．Ｓ．Ｋｅｎｎｅｄｙ及びＧ．Ｃ．Ｋｅｎｎｅｄｙは、Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ　Ｒｅｓ，Ｖｏｌ．８１，ｐｐ．２４６７−２４６９（１９７６）で、Ｓｉｍｏｎ−Ｂｅｒｍａｎ線を次の式によって定義している。
【００１７】
Ｐ（キロバール）＝１９．４＋０．０２５Ｔ（℃）
Ｅｖａｎｓ他及びＢｏｎｚｅｌ他が処理したダイヤモンドの大半はＩａＡ／Ｂ型であった。換言すれば、これらは窒素対（Ａ）又は四原子（Ｂ）からなる窒素クラスターの混在しているものであった。純粋なＩａＡ又はＩａＢ特性をもつダイヤモンドは非常に稀なためである。ダイヤモンドはすべて薄板を含有していた。Ａクラスターを主に含むダイヤモンドでは、若干のクラスターが分解して孤立窒素原子（Ｉｂ型）を生じたので、ダイヤモンドは黄色に変化した。Ａクラスターよりも不安定と思われるＢクラスターを主に含むダイヤモンドの彼等による処理はさほど上手くいっていない。最も魅力的で濃い黄色は、温度２２５０〜２３００℃及び圧力４８キロバールで処理したＩａ型ダイヤモンドで得られている（Ｅｖａｎｓ他、上掲）。
【００１８】
Ｅｖａｎｓとその共同研究者は色の変更には成功したものの、Ｉａ型及びＩＩａ型ダイヤモンド共に粉々に砕けてしまった。換言すれば、手術は成功したものの患者は死んでしまったのである。何の経済的価値も生じず、ダイヤモンド本来の価値も上記処理で失われた。また、炭素ＰＴ図のダイヤモンド安定域で作業するという条件は、所要の処理温度で極めて高い圧力を必要とする。かかる高圧は、現時点では達成不可能であるか或いは経済的でない。彼等の研究の結果、ダイヤモンド研究界では、ダイヤモンドの高圧高温処理で色を変化させることは見捨てられ、照射及び低温アニールが支持されるに至った。
【００１９】
【発明の概要】
本発明は、帯色天然ダイヤモンド、特にＩＩａ型ダイヤモンド及び窒素が主にＢセンターとして存在するＩａ型ダイヤモンドを炭素圧力−温度図の黒鉛安定域又はダイヤモンド安定域内の圧力及び温度で処理してその色を改善する方法に関する。当該方法は、帯色天然ダイヤモンドから表面欠陥及び不均一性をカッティング及び研磨によって除去し、ダイヤモンドを圧力伝達媒体（すなわち、圧密化によってピルを形成する粉体）中に配置することを含む。次いで、ピルを、ダイヤモンドの色を改善するのに十分な時間、炭素状態図のダイヤモンド安定域又は黒鉛安定域内の高圧高温を有する高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）プレスに配置する。最後に、ダイヤモンドをプレスから回収する。この方法で無色のＩａ型及びＩＩａ型ダイヤモンドを製造できる。
【００２０】
典型的な温度は約１５００〜約３５００℃であり、対応圧力は約１０〜約１００キロバール、好ましくは約２０〜約８０キロバールである。ＨＰ／ＨＴプレスでの圧縮時間は約３０秒程度から９６時間以上でもよいが、好ましくは約５分〜２４時間である。これらの条件（時間、温度及び圧力）は相関しており、ダイヤモンドの色を改善するために改変する必要のあるダイヤモンド中の帯色欠陥の性状に応じて調整される。
【００２１】
本発明の利点としては、帯色又は低品位の色のダイヤモンドの色を改善してファンシーカラーダイヤモンド又は無色ダイヤモンドへと価値を高めることができることが挙げられる。別の利点は、ダイヤモンドの亀裂又は破壊が低減し、プロセスの全体的収率が向上することである。別の利点は、改善された色のダイヤモンドの機械的及び構造的健全性を維持できることである。さらに別の利点は、ＩＩａ型ダイヤモンドから無色のダイヤモンドを製造できるという特殊能力である。さらに別の利点は、本明細書中で開示した処理ダイヤモンドの光学的透明性を保持できることである。上記その他の利点は、本明細書の開示内容から明らかとなろう。
【００２２】
図面の簡単な説明
本発明の要旨及び目的をさらに十分に理解するには、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照すべきである。
【００２３】
図１は、帯色ダイヤモンドの色を改善するためのアニールに利用し得る従来のＨＰ／ＨＴ装置の断面図であり、
図２は、図１の装置で天然ダイヤモンドをアニールするための典型的な反応セルの断面図である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明を従来のＨＰ／ＨＴ装置に関連して例示するが、ＨＰ／ＨＴ装置は例えば米国特許第２９４７６１１号、同第２９４１２４１号、同第２９４１２４８号、同第３６０９８１８号、同第３７６７３７１号、同第４２８９５０３号、同第４６７３４１４号及び同第４９５４１３９号に記載されているようなベルト型又はダイ型のものでよい。ただし、所要のＨＰ及びＨＴ条件を同時に提供し得るあらゆるＨＰ／ＨＴ装置に本発明の方法が適用できることは自明であろう。従って、かかる他のＨＰ／ＨＴ装置も、本明細書に記載された本発明の技術的範囲に属する。
【００２５】
図１を参照すると、本発明の実施に有用なＨＰ／ＨＴ装置の例を全体として符号１０で示すが、これは略円筒形の反応セルアセンブリ１２を含んでおり、この反応セルアセンブリ１２は１対のパンチ１４ａ及び１４ｂの間に配置され、略環状のベルト又はダイ部材１６で囲まれている。好ましくは、パンチ１４及びベルト部材１６はいずれも炭化タングステン系超硬合金のような比較的硬い材料からなる。パンチ１４とベルト部材１６の間には１対の絶縁アセンブリ１８ａ及び１８ｂが配置されており、その各々は１対の断熱・電気絶縁部材２０ａ−ｂ及び２２ａ−ｂ（各々好ましくはパイロフィライトなどからなる。）から作られ、その間に中間金属ガスケット２４ａ及び２４ｂが設けられている。
【００２６】
図示の通り、反応セルアセンブリ１２は中空シリンダ２６を含んでいるが、これはＨＰ／ＨＴ処理時に相転移又は圧縮によって強度と剛性を増した状態へと変化する塩などの材料からなるものでもよいし、或いはかかる変化を示さないタルク材料などからなるものでもよい。いずれにの場合も、シリンダ１２の材料は、例えばパイロフィライトやアルミナ材料で起こるようなＨＰ／ＨＴ条件下での体積変化の不連続性などを実質的に示さないものが選択される。かかる基準を満たす材料は米国特許第３０３０６６２号に記載されている。
【００２７】
塩シリンダ２６の内側に隣接してシリンダ２８が同心的に配置されているが、これは間接加熱のための黒鉛製電気抵抗ヒーター管として設けられる。ヒーター管２８との電気接続は、隣接した１対の導電性金属端盤３０ａ及び３０ｂを介して達成され、これらの端盤の対はヒーター管２８に対して軸方向に配置される。各端盤３０に隣接して端蓋アセンブリ（全体を符号３２ａ及び３２ｂで示す。）が設けられており、その各々は導電性リング３６ａ及び３６ｂで囲まれた絶縁プラグ３４ａ及び３４ｂからなる。
【００２８】
自明であろうが、ヒーター２８の内部は、端盤３０、塩シリンダ２６及び端蓋アセンブリ３２と共に、略円筒形の内室３８を画成しており、内室３８は所定の軸方向及び半径方向寸法を有し、圧力伝達媒体４０を含んでいる。圧力伝達媒体４０は、ＨＰ／ＨＴ条件下で半流動性となるように内部摩擦係数の比較的低いものとして選択されるが、円筒形の塩ライナー４２としてもよい。塩ライナー４２は半径方向圧力伝達媒体層４３ａ及び４３ｂを画成し、軸方向の１対の塩プラグ４４ａ及び４４ｂと嵌合し、各塩プラグは軸方向圧力伝達媒体層を画成する。好ましくは、塩ライナー４２及びプラグ４４は黒鉛材料又は塩化ナトリウムからなるが、ナトリウム、カリウム又はカルシウムの塩化物、ヨウ化物又は臭化物或いはこれらの混合物からなるものでもよい。別法として、圧力伝達媒体４０は粉体又は粒状体であってもよい。いずれの場合も、媒体４０は、アニールすべき帯色ダイヤモンドを収容できる構成のキャビティ空間４６を画成する。本発明を実施するための代表的なＨＰ／ＨＴ装置の構成はこのようなものである。
【００２９】
望ましくは、アニールすべき天然ダイヤモンドから表面及び表面付近の欠陥及び不均一性を望ましく低減し、及び／又は石を流線形に近づけるのに十分な量の材料を除去する。材料の除去は、カッティング、整形及び／又は研磨で実施し得る。カッティング及び整形技術には、レーザカッティング及び石の破断による石の一部の除去がある。低減するのが望ましい表面及び表面付近の欠陥及び不均一性には、ダイヤモンドの外面に交差する内包物、表面付近の内包物、表面に交差する亀裂もしくはフェザー（「ｇｌｅｔｚ」ともいう。）、表面付近の亀裂もしくはフェザー、表面隆起、表面くぼみ、表面付近のボイド、表面もしくは表面付近の不純物不均質領域、及び表面もしくは表面付近の塑性変形域がある。表面の欠陥及び不均一性は亀裂成長を引き起こしかねず、さらに処理時に石の破壊を引き起こすおそれさえある。アニール前に天然ダイヤモンドの予備整形又はプレブロッキング（ダイヤモンド業界ではカッティングによるダイヤモンドの整形を「ブロッキング」という。）する目的は、ＨＰ／ＨＴ作業時にダイヤモンドの破壊又は亀裂を防止することである。外観がより流線形に近づくように石を整形することも望ましい。流線形に近い形状は、高圧圧縮時に石が圧縮下に置かれるとき、及び石の回収時にパンチ１４を互いに引き離して石が張力を受けるときの破壊及び亀裂を低減させる。
【００３０】
ＨＰ／ＨＴ装置の従来の使用法とは異なり、プレブロッキングしたダイヤモンドは粉体状圧力伝達媒体中に配置され、次いで圧力伝達媒体をその理論密度の９０％超に圧密化又は緻密化してピルを形成する。ピル媒体は、処理すべきダイヤモンドを塑性変形させたり応力を加えるおそれのある剪断応力を最低限に抑えるため、ＨＰ／ＨＴ装置内のダイヤモンド表面に連続体として静圧を損失なく伝達しなければならない。固体ピル媒体又はＨＰ／ＨＴプロセス中のある時点で固体となるピル媒体を用いると、プロセス中にすべての剪断応力及び／又は引張応力をなくすことは不可能である。ダイヤモンドは、高温アニールプロセスで最初に加圧したとき、さらにはセル内の圧を大気圧に戻しながら高温から冷却する際にも亀裂を生じることがある。後者の場合、セル内の圧力は対向アンビル又はパンチ１４ａ及び１４ｂを後退させることで解放される。アンビル後退時にピルの上面と下面が外側に膨らむ傾向がある。同心ベルトは剛性であるので、最初は一軸（アンビル並進軸）方向だけに圧力が解放され、そのためピル媒体中に剪断応力及び引張応力が発生する。ピル媒体はプロセスサイクルのこの時点で通常は固体であり、かかる剪断応力及び引張応力をダイヤモンドに伝達する可能性がある。ブロッキングしていない把握可能な表面を有するダイヤモンドがセルの圧力解放時にアンビル並進軸に垂直な平面で壊れることは珍しくない。
【００３１】
ピル媒体からダイヤモンドへの残留剪断／引張応力の伝達は、ダイヤモンドのプレブロッキング又は予備整形で最小限に抑えることができる。プレブロッキングで生じるダイヤモンド形状は表面をピル媒体で把握するのが困難である。そのため、プレブロッキングしたダイヤモンドは保持しておくのが困難な滑り易い形状をもつので、ピル媒体中の引張／剪断応力はダイヤモンド−媒体界面で除かれる傾向がある。さらに、内包物のように内部応力を生じたり或いは亀裂のように外部応力を拡大するような、ダイヤモンド中の亀裂、フェザー、内包物その他の欠陥を除去することで、ダイヤモンドの変形、亀裂又は破砕を引き起こしかねないダイヤモンドの内部応力が最小限に抑えられる。典型的なプレブロッキング作業では、ダイヤモンド表面に２〜２５面のファセットをカット及び／又は研磨すればよい。ファセットの数及びサイズは、表面及び表面付近の欠陥の数のみならず、ダイヤモンドの形態、プロフィール、全体のサイズ、購入価格及び処理後見積価格に依存する。プレブロッキングは無色化プロセス全体のコストを増すので、プレブロッキングの量は天然ダイヤモンドの物性だけでなく見積利幅プロセスによっても決まる。例えば、小粒の安いダイヤモンドよりも大粒の高価なダイヤモンドでプレブロッキングを増やすと経済的である。
【００３２】
追加説明として、ＨＰ／ＨＴ処理中の石の圧縮時に圧縮応力を低減させるだけでなく、パンチ１４ａ及び１４ｂが互いに引き離されるダイヤモンドの取出し又は回収時に引張応力を低減させるためにも、天然ダイヤモンドから十分な材料を除去するのが望ましい。パンチ１４ａ及び１４ｂは長軸（図示せず）に沿って互いに接近又は離隔するように移動し、ダイヤモンドにそれぞれ圧縮応力又は引張応力を生じる。ダイヤモンドの長軸に沿った流線形化は、ダイヤモンドの外面から外側に突き出た隆起を除去することによって促進し得る。このタイプの除去は長軸に垂直な方向の断面積を減らし、流線形効果を高める。ファセット数の増加などによって略アーチ形の平滑面を形成することによって流線形効果を高めることができる。スムージング効果を高めるため、長軸方向に並べられるダイヤモンドの両端の寸法を減少させてもよい。ダイヤモンドをピルに装填するに当たっては、最小断面積部分が長手方向に向くようにするとよい。処理時のダイヤモンドへの応力が低減するようにダイヤモンドを整形及び配置するのが望ましい。
【００３３】
ピル媒体は熱的及び化学的に安定でなければならず、好ましくはダイヤモンドとの反応やその溶解を起こすべきでない。適当な媒体は、アニール条件下で安定な流体もしくは気体又は高塑性固体であり、例えば、特に限定されないが、上述の塩類、酸化マグネシウムや酸化カルシウムのような酸化物、又は黒鉛のような炭素などが挙げられる。ピル媒体はＨＰ／ＨＴ装置で遭遇する高圧高温に合わせて増減できるものでなければならない。最後に、ピル媒体の体積圧縮性は小さく、ガスケット系と同程度でなければならない。すなわち、ピル媒体はボイドを含まず、アニール条件下でその理論格子密度に近いものでなければならない。適宜、キャビティ４６内に複数のピルを収容してもよい。
【００３４】
本発明の圧力条件はＰＴ図の黒鉛安定域を包含しており、典型的には約１０〜約２００キロバール、好ましくは約２０〜約８０キロバールである。本発明の実施に用いる温度は、通例約１５００〜約３５００℃である。アニール条件は、色の改善のため除去又は変化させる必要のあるダイヤモンド中の欠陥の性状に依存するが、当業者であれば過度の実験を伴わずに容易に決定できる。
【００３５】
ＨＰ／ＨＴ条件は、帯色ダイヤモンドの色を改善するのに十分な時間維持される。かかる時間は数分〜数時間であり、好ましくは約５分〜２４時間、さらに好ましくは約５分〜約１時間ある。これに関して、実施例で実証する通り、帯色ダイヤモンドを同一又は異なる条件下での複数のアニール工程に付してもよい。
【００３６】
本発明の方法に付される帯色ダイヤモンドは、既にカット及び研磨され完成ダイヤモンドとして販売されたものであってもよい。こうしたプレカット／研磨ダイヤモンドの歩留まりは、仮に上述の表面又は表面付近の欠陥を含んでいたとしても、プレブロッキングすることで一段と高めることができる。処理後、脱色されたダイヤモンドは他の天然ダイヤモンドと同様にカット及び研磨される。すると、ダイヤモンドは宝飾品に使用できる状態、又はヒートシンクや光学窓などのデバイスに組み込める状態となる。特に重要なことは、帯色ＩＩａ型ダイヤモンドを無色の石に変える本発明の能力である。ただし、本発明はブルー、ピンク、グリーン、イエロー及びイエローイッシュグリーンのダイヤモンドも製造できる。
【００３７】
以下の実施例で本発明をどのように実施したか示すが、限定的な意味に解釈すべきでない。本明細書において、特記しない限り、単位はすべてメートル法に基づく。本明細書中で引用した特許その他の文献は、援用によって本明細書に取り込まれる。
【００３８】
【実施例】
以下の実施例では、非常に高い圧力（約６０ｋｂａｒ）及び温度（約２６００℃）を達成できるベルト型装置を用いて、高圧高温条件下での天然ダイヤモンドのアニールを行った。本発明によるダイヤモンドのアニールを、以下のセル構成及び作業条件を使用した実施例で例示する。
【００３９】
反応セルアセンブリの概略を図２に示す。プレブロッキングしたダイヤモンド結晶５１を、高純度の黒鉛又は塩化ナトリウム粉体からなる円筒形ピル５２の内部に配置する。ダイヤモンド結晶５１のプレブロッキングは、レーザーで材料を除去することによって行う。高温アニール時に溶融しないので、黒鉛が好ましい。ピルは直径０．７６インチ（１９．３ｍｍ）及び高さ０．８６インチ（２１．８ｍｍ）の寸法を有する。ピル５２は、黒鉛粉体及びダイヤモンド結晶５１を液圧プレスで圧縮成形することによって作製する。ピル５２を酸化マグネシウム管５３内に配置し、端盤５４ａ及び５４ｂを取り付ける。このアセンブリを次いで黒鉛管５５内に配置し、端盤５６ａ及び５６ｂを取り付ける。かかるアセンブリを塩シリンダ５９内に配置し、その両端にそれぞれ塩シリンダ６０ａ及び６０ｂで包囲された黒鉛ピン５８ａ及び５８ｂを取り付ける。黒鉛盤５７ａ及び５７ｂで塩シリンダ５９の両端をそれぞれ封止する。
【００４０】
反応セルアセンブリを次いで（ベルト型装置のような）高圧装置内に配置し、標準的なガスケットアセンブリを用いて高圧でシールを形成するとともにパンチと電気的に接触して電力で加熱できるようにする。
【００４１】
典型的なアニール実験は、反応セルを約６０ｋｂａｒの設定圧力に加圧することで開始する。圧力が設定圧力の約９６％に達したときに電力を供給する。最初は、ダイヤモンドを約１２００℃に加熱し、この温度に１分間保つ。しかる後、温度を２．５分で設定値（例えば約２５００℃）に上げ、その設定値に１８分間保つ。最後の６分間は、温度を２５００℃で一定に保つべきである。次いで、電力を１．５分でゆっくりと零まで落とす。セル圧力は約１分間一定に保ち、次いでゆっくりと解放する。ＨＰ／ＨＴ装置から反応セルを取り出し、ダイヤモンドを含んだ黒鉛ピルを取り出す。硫酸９０％と硝酸１０％の沸騰混液中でピルを消化することでダイヤモンドを回収する。
【００４２】
実施例１
重さ３．４９カラットで色が褐色のプレブロッキングしたＩＩａ型天然未研磨ダイヤモンドを、高純度黒鉛粉体をプレスして作製した黒鉛ピル中に埋め込んだ。ダイヤモンドを約６０ｋｂａｒ及び２４５０℃で６分間アニールした。ダイヤモンド結晶を回収して目視検査したところ、色が透明又は無色に変化していた。
【００４３】
実施例２
重さ３．２９カラットで色が褐色のプレブロッキングしたＩＩａ型天然研磨ダイヤモンドを、高純度塩化ナトリウム粉体をプレスして作製したピル中に配置した。ダイヤモンドを約６０ｋｂａｒ及び約２５００℃で６分間アニールした。回収したダイヤモンドの目視検査で、色が透明又は無色に変化していたことが認められた。
【００４４】
実施例３
重さ２．４６カラットで色が褐色のプレブロッキングしたＩａ型天然未研磨ダイヤモンドを、高純度黒鉛粉体をプレスして作製したピル中に配置した。ダイヤモンドを約６０ｋｂａｒ及び約２５５０℃で約８分間アニールした。回収ダイヤモンドの目視検査で、色が鮮やかな黄色に変化したことが認められた。この石のＵＶ、可視、近赤外及び赤外スペクトルは、天然未処理ダイヤモンドにみられない異常な吸収線を全く示さなかった。具体的には、７４１ｎｍのＧＲ１線及び照射と熱処理の組合せに由来するＨＩｂ及びＨＩｃ線のような通常の照射痕跡は存在しなかった。
【００４５】
実施例４
重さ１．７９カラットで色が褐色のプレブロッキングしたＩａ型天然未研磨ダイヤモンドを、高純度黒鉛粉体をプレスして作製したピル中に配置した。ダイヤモンドを約６０ｋｂａｒ及び２５５０℃で約８分間アニールしたところ、色が緑がかった黄金色へと変化した。この石のＵＶ、可視、近赤外及び赤外スペクトルは、天然ダイヤモンド石にみられない異常な吸収線を全く示さなかった。具体的には、７４１ｎｍのＧＲ１線及び照射と熱処理の組合せに由来するＨＩｂ及びＨＩｃ線のような通常の照射痕跡は存在しなかった。
実施例５
重さ３．０６カラットで色が褐色のプレブロッキングしたＩＩａ型天然未研磨ダイヤモンドを、高純度黒鉛をプレスして作製したピル中に配置した。ダイヤモンドを約６０ｋｂａｒ及び２３００℃で約６分間アニールした。回収したダイヤモンドの目視検査で、色がピンクに変化したことが認められた。
【００４６】
実施例６
重さ１．４０カラットで色が褐色のプレブロッキングしたＩＩａ型天然研磨ダイヤモンドを、高純度黒鉛をプレスして作製したピル中に配置した。ダイヤモンドを約６０ｋｂａｒ及び２５００℃で約６分間アニールした。回収したダイヤモンドの目視検査で、色が淡いピンクに変化したことが認められた。
【図面の簡単な説明】
【図１】帯色ダイヤモンドの色を改善するためのアニールに利用し得る従来のＨＰ／ＨＴ装置の断面図である。
【図２】図１の装置で天然ダイヤモンドをアニールするための典型的な反応セルの断面図である。
【符号の説明】
１０　ＨＰ／ＨＴ装置
１２　反応セルアセンブリ
１４　パンチ
１６　ベルト部材
１８　絶縁アセンブリ
２０　絶縁部材
２２　絶縁部材
２４　中間金属ガスケット
２６　シリンダ
２８　ヒーター管
３０　端盤
３２　端蓋アセンブリ
３４　絶縁プラグ
３６　導電性リング
３８　内室
４０　圧力伝達媒体
４２　塩ライナー
４４　塩プラグ
５１　ダイヤモンド結晶
５２　ピル

Claims (21)

1. 帯色天然ダイヤモンドの色を変化させる方法であって、ａ）天然ダイヤモンドから材料を除去し、ｂ）天然ダイヤモンドを圧力伝達媒体中に配置し、ｃ）圧力伝達媒体を圧密化してピルとし、ｄ）ダイヤモンドの色を変化させるのに十分な時間、ピルを炭素状態図の黒鉛安定域又はダイヤモンド生成域内の高圧高温に暴露し、ｅ）ダイヤモンドを回収することを含んでなる方法。
2. 前記材料除去が、天然ダイヤモンドの外側部分から表面付近の欠陥及び不均一性を低減するのに十分な材料を除去することからなる、請求項１記載の方法。
3. 材料除去がカッティングを含む、請求項２記載の方法。
4. 材料除去が研磨を含む、請求項２記載の方法。
5. 材料除去がカッティングを含み、カッティングがダイヤモンドに２面以上のファセットを生じる、請求項２記載の方法。
6. 高圧への暴露が、対向するパンチを介してピルに圧力を伝達して圧縮応力を生じさせることを含み、ダイヤモンドの回収が対向パンチを後退させることを含んでいて、パンチの後退はダイヤモンドに引張応力を生じさせるが、該応力を低減するため天然ダイヤモンドが材料の除去によって整形されている、請求項２記載の方法。
7. 帯色天然ダイヤモンドがＩａ型又はＩｂ型ダイヤモンドである、請求項２記載の方法。
8. 帯色天然ダイヤモンドがＩＩａ型又はＩＩｂ型ダイヤモンドである、請求項２記載の方法。
9. 回収されるダイヤモンドが無色である、請求項２記載の方法。
10. 回収されるダイヤモンドが有色である、請求項２記載の方法。
11. 高温が約１５００〜３５００℃の範囲内にあり、高圧が約１０〜約１００キロバールの範囲内にある、請求項２記載の方法。
12. 前記高圧が約２０〜約８０キロバールの範囲内にある、請求項１１記載の方法。
13. 回収したダイヤモンドを段階（ｃ）に複数回付す、請求項２記載の方法。
14. 前記圧力伝達媒体がＨＰ／ＨＴ条件で熱的及び化学的に安定であり、塩、酸化物及び黒鉛からなる群から選択される、請求項２記載の方法。
15. 前記圧力伝達媒体が、塩化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化ナトリウム、塩化カリウム、ヨウ化カリウム、臭化カリウム、塩化カルシウム、ヨウ化カルシウム及び臭化カルシウムからなる群から選択される塩である、請求項２記載の方法。
16. 前記圧力伝達媒体が、酸化マグネシウム、酸化カルシウム及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１５記載の方法。
17. 前記圧力伝達媒体が黒鉛である、請求項１５記載の方法。
18. 前記高圧高温条件を３０秒〜９６時間維持する、請求項２記載の方法。
19. 前記高圧高温条件を５分〜２４時間維持する、請求項２記載の方法。
20. 前記高圧高温条件を約５分〜約１時間維持する、請求項２記載の方法。
21. プレブロッキングがダイヤモンドの表面の１〜１００カット面からなる、請求項２記載の方法。