Brevet FR2816629A1 — publié le 20020517

L'invention concerne un procédé et une installation de coloration de minéraux, par exemple de pierres précieuses ou semi-précieuses, notamment de topazes, par ionisation d'une partie des molécules constituant le minéral, au moyen d'un faisceau d'électrons accélérés délivré par une source telle qu'un accélérateur d'électrons. Actuellement, cette technique de coloration, par exemple pour bleuir les topazes, nécessite une irradiation neutronique préalable de la pierre, impliquant une exposition de celle-ci à un flux de neutrons dans un réacteur nucléaire. En effet, le phénomène physique de coloration est dû, soit à un aménagement électronique de la structure du minéral avec formation de centres colorés, soit à une réaction d'oxydation des impuretés contenues dans ce minéral, et l'ionisation seule réalisée au moyen des équipements disponibles ne permet pas d'obtenir des densités de coloration commercialement intéressantes, tandis que l'oxydation des impuretés est amplifiée par la création de lacunes sous l'action de neutrons. Malheureusement, naturellement la pré-irradiation neutronique crée une radioactivité induite du minéral ; la réglementation fixe un niveau de radioactivité maximal, et la désactivation du minéral qui a été soumis au flux de neutrons peut durer plusieurs mois. L'évolution de la réglementation fixant des seuils de radioactivité de plus en plus bas, rend la technique neutronique de moins en moins exploitable économiquement. L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient en permettant la coloration de minéraux, par exemple de pierres précieuses, ou semiprécieuses en l'absence d'irradiation neutronique préalable. A cette fin, l'invention concerne un procédé de coloration de minéraux, par exemple des pierres précieuses ou semi-précieuses dans lequel on expose au moins un minéral à un faisceau d'électrons accélérés de manière à créer des centres colorés au sein du minéral, caractérisé en ce que l'on expose le minéral à un faisceau d'électrons accélérés se propageant dans un milieu gazeux, puis on refroidit progressivement le minéral dans le milieu gazeux à une température de l'ordre de la température ambiante, puis on refroidit le minéral dans un liquide à plus faible température que la température ambiante, puis on égoutte au moins partiellement le minéral en milieu gazeux, et on répète le processus un nombre de fois prédéterminé en fonction de caractéristiques spectrophotométriques du minéral que l'on souhaite obtenir. Grâce à ce procédé, il est possible de colorer de manière satisfaisante, et sans irradiation neutronique, des minéraux, tels que des topazes, dans des conditions commercialement intéressantes. Le procédé peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - on expose le minéral à un faisceau d'électrons dans l'air ambiant, à la température ambiante. - on refroidit progressivement le minéral dans l'air ambiant. - on refroidit le minéral à plus faible température que la température ambiante, dans de l'eau. - on égoutte au moins partiellement le minéral dans l'air ambiant. - on expose le minéral à un faisceau d'électrons possédant une énergie au plus égale à 10 MeV. - on expose le minéral à un faisceau d'électrons pulsé. L'invention concerne également une installation de coloration de minéraux, par exemple des pierres précieuses ou semi-précieuses, caractérisée en ce qu'elle comporte un carrousel rotatif comportant des paniers adaptés pour recevoir des minéraux à colorer, une source d'électrons, et un bac de refroidissement, le carrousel étant actionné en rotation autour d'un axe de telle manière que les minéraux contenus dans les paniers soient en continu transférés d'une zone d'exposition à un faisceau d'électrons émis par la source, à une zone de refroidissement dans un liquide contenu dans le bac, et de la zone de refroidissement à la zone d'exposition, un nombre de fois prédéterminé en fonction de caractéristiques spectrophotométriques que l'on souhaite obtenir pour les minéraux. Grâce à cette installation, Il est aisé de jouer sur tous les paramètres importants du traitement d'un lot de minéraux, et ainsi d'obtenir à volonté des minéraux présentant des caractéristiques spectrophotométriques très diverses. L'installation peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le carrousel est à une distance réglable de la source d'électrons, de telle manière que la zone d'exposition des minéraux au faisceau d'électrons puisse être placée au plus près de la source d'électrons ; - le faisceau d'électrons est mobile dans un mouvement de balayage dans un plan de balayage s'étendant dans la direction de la longueur des paniers, et cette longueur, au niveau de la surface supérieure de la masse de minéraux contenue dans le panier, est approximativement égale à l'amplitude de balayage du faisceau au niveau où s'étend cette surface supérieure quand elle traverse le plan de balayage ; - la profondeur des paniers est approximativement égale à l'épaisseur maximale de minéraux susceptible d'être ionisée ; - l'énergie des électrons du faisceau est au plus égale à 10 MeV ; - elle comporte une zone de refroidissement des minéraux dans un gaz ambiant, comprise dans le trajet des paniers s'étendant de la zone d'exposition au faisceau d'électrons à la zone de refroidissement dans un liquide ; - elle comporte une zone d'égouttage des minéraux, comprise dans le trajet des paniers s'étendant de la zone de refroidissement dans un liquide à la zone d'exposition au faisceau d'électrons ; - le bac comporte un organe de réglage du niveau de liquide ; - les paniers sont interchangeables de manière que le carrousel puisse être muni de paniers de différentes dimensions ; - la vitesse de rotation du carrousel est réglable ; - elle comporte un moyen de sécurité relié électriquement à la source d'électrons et à l'alimentation électrique du carrousel pour interrompre l'alimentation de la source et ainsi le faisceau d'électrons, en cas d'arrêt du carrousel, et réciproquement ; - le liquide de refroidissement est de l'eau ; et - le faisceau d'électrons est pulsé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, d'un mode et d'une forme de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins joints dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique extérieure du coté d'une installation selon l'invention ; - la figure 2 est une coupe schématique de coté de l'installation de la figure 1 ; et la figure 3 est une coupe partielle schématique de face de l'installation des figures 1 et 2, selon la ligne III-III de la figure 2. L'objectif à atteindre étant l'obtention de minéraux, par exemple de topazes, d'apparence similaire à celle des minéraux de même nature et de même géométrie qui sont de manière conventionnelle irradiés en neutrons puis soumis à un faisceau d'électrons, on a tout d'abord mesuré les caractéristiques spectrophotométriques de ces minéraux traités de manière conventionnelle, et plus précisément leur spectre l'absorption, leur densité optique (transmission), leur profondeur de couleur (saturation), et leur réflexion (brillance), et ensuite on a cherché à obtenir les mêmes caractéristiques, de manière stable, sans irradiation neutronique préalable. Au moyen des essais effectués, il a notamment été constaté dans le cas des pierres telles que des topazes, que la coloration est d'autant plus dense que la densité électronique instantanée du faisceau d'électrons incident (nombre d'électrons par cm2) est élevée, et qu'il existe un seuil de densité au-dessous duquel une coloration exploitable ne peut être obtenue. Il a donc été trouvé approprié de mettre en oeuvre un faisceau d'électrons accélérés dont le courant est le plus élevé possible et a cette fin qui est éventuellement pulsé, et un accélérateur d'électrons à balayage dont l'amplitude de balayage est aussi réduite que possible, et d'exposer les pierres le plus près possible de la fenêtre de sortie pour le faisceau d'électrons, de l'accélérateur d'électrons. Il a également été constaté que la coloration est autant plus dense que le refroidissement des pierres pendant le traitement est mieux assuré. Il a donc été estimé avantageux d'exposer les pierres de manière répétitive et de les refroidir entre les expositions, le rapport cyclique exposition/refroidissement étant choisi en fonction de la nature et des dimensions des pierres, et de la couleur recherchée. Il a donc été nécessaire de concevoir une installation permettant de faire varier le rapport cyclique et la durée des cycles, ainsi que la température de refroidissement, en utilisant un liquide de refroidissement. Il a aussi été constaté que la nature, la géométrie et les dimensions de la pierre ont une incidence sur la dose totale permettant d'obtenir un résultat donné, et il a donc été ainsi nécessaire de créer une installation au moyen de laquelle on peut faire varier le nombre de cycles et la durée totale d'exposition. Il a en outre été constaté qu'en revanche, les conditions de traitement thermique après ionisation (température et durée) sont indépendantes des critères et paramètres précédents. En résumé, des pierres présentant des propriétés identiques à celles des pierres traitées de manière conventionnelle peuvent être obtenues en l'absence d'irradiation neutronique préalable, à condition de pouvoir jouer de manière précise sur, outre la nature de la pierre (composition chimique, donc origine géographique), - les conditions d'ionisation de la pierre par le faisceau d'électrons, et notamment la densité électronique instantanée du faisceau (intensité de crête du faisceau d'électrons), la dose de rayonnement reçue par la pierre (durée d'exposition), et le cycle d'exposition au faisceau d'électrons (continu ou discontinu) ; - le refroidissement des pierres en cours de traitement et la température maximale atteinte sous le rayonnement, - le cycle et les caractéristiques du traitement thermique effectué après ionisation en vue d'éliminer les couleurs parasites réversibles et de stabiliser la couleur recherchée, en fonction du résultat à obtenir. L'installation qui va être décrite répond à ces impératifs, au moyen d'un processus répété cycliquement utilisant un faisceau d'électrons, ici pulsé, balayant les minéraux, ici des pierres semi-précieuses telles que des topazes, à ioniser. Pour mettre en oeuvre ce processus cyclique, cette installation comporte un carrousel 1 rotatif au moyen duquel les pierres à traiter sont transférées d'une zone d'exposition à un faisceau d'électrons émis par une source d'électrons 2 (accélérateur d'électrons), à une zone de refroidissement dans un liquide localisée dans un bac de refroidissement 3, puis de la zone de refroidissement à la zone d'exposition, le nombre de fois nécessaire pour obtenir les caractéristiques spectrophotométriques désirées. La base de l'installation est constituée par le bac de refroidissement 3, qui est un réservoir de forme parallèlepipédique contenant un liquide de refroidissement, par exemple de l'eau, à une température basse appropriée qui est fonction de la pierre à traiter. Le bac 3 est alimenté par un tuyau d'alimentation 31 s'étendant sur toute la longueur d'une paroi 32 du bac au fond de celui-ci, perforé uniformément sur toute sa longueur, relié à un réseau d'alimentation en liquide de refroidissement. Une rigole d'évacuation 33 s'étend à la partie supérieure d'une paroi 34 du bac opposée à celle le long de laquelle s'étend le tuyau 31 ; cette rigole 33 est séparée du bac 3 par une plaque coulissante d'obturation 35 approximativement verticale dont le niveau de l'arête supérieure détermine et règle le niveau du liquide dans le bac ; le fond de la rigole 33 s'ouvre sur un tuyau d'évacuation 36 du liquide de refroidissement. Le long des parois 37 du bac qui sont perpendiculaires aux parois 32, 34, s'élèvent des supports 38 pour un arbre de rotation 11 du carrousel 1 ; ces supports 38 sont démontables afin que le carrousel soit interchangeable. Ici, les supports 38 sont positionnés de telle manière que l'arbre 11 s'étende horizontalement, parallèlement au tuyau d'alimentation 31, à proximité immédiate de la surface libre du liquide de refroidissement, au-dessus de celle-ci, et que son axe de rotation soit contenu dans un plan vertical parallèle aux parois 32,34 approximativement à égale distance de celles-ci. Le carrousel 1 comporte, outre l'arbre 11, deux flasques 12 s'étendant parallèlement l'un à l'autre dont les faces en regard portent des ergots 13 en bronze régulièrement répartis à proximité de la périphérie des flasques (ici six ergots par flasque, répartis à 60 ). Sur les ergots 13, sont posés des paniers 14 adaptés pour recevoir les pierres à colorer, de dimensions telles qu'il existe entre deux paniers au moment où ils s'étendent au même niveau, l'espace le plus petit possible permettant cependant une rotation des paniers sans entrave mutuelle (de l'ordre du centimètre). Les supports de panier sont en forme de U retourné pour faciliter la pose, la rotation et la dépose des paniers 14, qui peuvent être interchangeables et de différentes dimensions en fonction des pierres à traiter et des caractéristiques à obtenir. Les paniers 14 comportent chacun deux flasques latéraux triangulaires reliés par une ossature métallique parallélépipédique constituant un support pour un grillage métallique maintenu par ce support. L'ensemble constitue le panier de traitement destiné à recevoir les pierres à traiter. Les paniers peuvent être recouverts d'un couvercle comportant par exemple trois panneaux en grillage assurant le maintien des pierres lors de rotation de carrousel. L'écartement des flasques latéraux, définissant la longueur maximale des paniers, est fonction de l'amplitude du balayage du faisceau issu de la source d'électrons 2, au niveau de la surface du panier. L'arbre de rotation 11 du carrousel est relié mécaniquement (de manière non représentée sur les dessins) à un arbre primaire entraîné par un moteur électrique, au moyen d'un organe de couplage tel qu'un ergot ; la vitesse de rotation de l'arbre 11 est modifiable, par exemple d'une fraction de tour par minute à plusieurs tours par minute, par suite du fait que le moteur est choisi à vitesse variable ou qu'il existe, entre le moteur et l'arbre primaire, une démultiplication modifiable, par exemple par pignons et chaîne. L'installation selon l'invention étant placée dans une enceinte de confinement, l'alimentation électrique du moteur est télécommandée depuis une salle de commande où est installée une boite de télécommande, permettant de télécommander depuis cette salle, le démarrage du moteur, sa vitesse de rotation, et son arrêt. Une dynamo tachymétrique de sécurité (non représentée) fixée sur l'arbre de rotation 11 du carrousel est reliée électriquement à la source d'électrons 2 et à l'alimentation électrique du carrousel pour interrompre l'alimentation de la source et ainsi le faisceau d'électrons dans le cas d'un arrêt du carrousel, et réciproquement. La source d'électrons 2 comporte une fenêtre de sortie 21 par laquelle est émis le faisceau d'électrons 22, cette fenêtre s'étendant ici approximativement horizontalement au dessus et en regard d'une surface support horizontale 4, à une distance de cette surface qui est réglable pour pouvoir disposer le carrousel 1 porté par le bac 3 sur la surface support 4 de manière que le haut du carrousel soit à proximité immédiate de la fenêtre 21 et ainsi que la zone d'exposition des pierres au faisceau soit au plus près de la source. Le bac 3 est positionné de telle manière que l'axe longitudinal de la fenêtre 21 le long duquel se déplace le faisceau d'électrons 22, et celui de l'arbre 11, s'étendent dans des plans verticaux parallèles, ces deux plans étant respectivement le plan s'étendant dans la direction de la longueur des paniers, dans lequel se déplace le faisceau, et le plan de symétrie du carrousel. Pour la mise en oeuvre de l'installation selon l'invention de manière à créer des centres colorés au sein des pierres, on règle tout d'abord l'amplitude de balayage du faisceau 22 à la valeur minimale, l'énergie des électrons étant fixée au maximum à 10 MeV environ pour éviter toute radioactivité induite dans les pierres. On alimente le circuit de refroidissement, on règle la vitesse de rotation du carrousel 1 et le régime de la source 2 en fonction des paramètres correspondant au traitement à effectuer (énergie, puissance, balayage), et on met le carrousel et la source en fonctionnement. Comme on l'a vu, on réalise le traitement au moyen de cycles successifs enchaînés en continu, correspondant à la durée de traitement désirée ; le long de chacun de ces cycles, on balaye les pierres, lors de leur trajet dans l'air ambiant, au moyen du faisceau d'électrons accélérés se propageant en un courant électronique pulsé, lors du passage de celles-ci dans la zone d'exposition au faisceau 22 ; puis on refroidit progressivement les pierres dans l'air à la température ambiante, depuis leur sortie du faisceau jusqu'à leur pénétration dans le liquide de refroidissement ; puis on refroidit les pierres dans le liquide du bac 3 à plus basse température, pendant un temps correspondant approximativement à la moitié de la durée d'une révolution du carrousel 1 ; ensuite on égoutte au moins partiellement les pierres dans l'air ambiant depuis leur sortie de la zone de refroidissement dans le liquide jusqu'à leur nouveau traitement lors de leur passage suivant dans la zone d'exposition au faisceau 22 d'électrons accélérés. Lorsque l'on a atteint le nombre de cycles prédéterminé en fonction des caractéristiques spectrophotométriques que l'on souhaite obtenir, on arrête l'alimentation de la source 2, ainsi que la rotation du carrousel 1, et on retire les paniers 14 et on les vide de leur contenu, puis on soumet les pierres à un traitement thermique destiné à éliminer les couleurs parasites réversibles et à stabiliser la couleur recherchée. Les dimensions des paniers 14 et du carrousel 1 sont choisies en fonction de l'énergie susceptible d'être émise par la source 2. Pour un faisceau de 10 MeV, et des pierres présentant une masse spécifique d, l'épaisseur e de la masse de pierres pouvant être ionisée lors d'un passage dans le faisceau est environ 3,5 cm/d. Si les pierres sont relativement épaisses et les centres de couleur sont approximativement au centre de gravité de celles-ci, l'épaisseur de la masse de pierres, donc la profondeur des paniers, peut être majorée d'environ 30 %. La longueur L des paniers au niveau de la surface supérieure de la masse de pierres est approximativement égale à l'amplitude de balayage du faisceau émis par la source 2 au niveau où s'étend cette surface quand elle traverse le plan vertical de balayage. La largeur Ldes paniers est fonction de la durée de traitement désirée lors d'un cycle ; ainsi, si la durée de traitement désirée par panier est Tt (en minutes), si la durée efficace de traitement pour une largeur de pierres de 1 cm est Tu (en minutes), et si n est le nombre de paniers choisi pour le carrousel, on a : Tt xl Tu n Tu n Le nombre et la largeur des paniers étant fixés, on en déduit les dimensions du carrousel et notamment le rayon de la circonférence sur laquelle sont centrés les ergots 13 sur lesquels sont posés les paniers 14. Dans ces conditions, la masse (en kilogrammes) de pierres ionisées Qt est proportionnelle au nombre n de paniers, au volume V des paniers, au coefficient de foisonnement Cf des pierres et à leur densité d. On a ainsi : Qt = n. V. Cf. d ; avec V = L. 1. e, la masse (en kilogrammes) de pierres ionisées par heure Qth est : La vitesse de rotation du carrousel est indépendante de la durée totale du traitement ; en revanche, elle est choisie en fonction du type et de la géométrie des pierres, en tenant compte des valeurs estimées optimales de la durée d'exposition au faisceau, de la durée de refroidissement dans l'air, de la durée de refroidissement dans le liquide, et de la durée d'égouttage. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode et à la forme de réalisation ci-dessus décrits et représentés, et on pourra en prévoir d'autres sans sortir de son cadre, et notamment des modes et des formes de réalisation dans lesquels le faisceau d'électrons accélérés balaye un plan qui n'est pas vertical, par exemple un plan horizontal, et des modes et des formes de réalisation adaptés pour traiter des matériaux d'autre nature que des pierres précieuses ou semi-précieuses. REVENDICATIONS 1. Procédé de coloration de minéraux, par exemple des pierres précieuses ou semi-précieuses dans lequel ou expose au moins un minéral à un faisceau d'électrons accélérés de manière à créer des centres colorés au sein du minéral, caractérisé en ce que l'on expose le minéral à un faisceau (22) d'électrons accélérés se propageant dans un milieu gazeux, puis on refroidit progressivement le minéral dans le milieu gazeux à une température de l'ordre de la température ambiante, puis on refroidit le minéral dans un liquide à plus faible température que la température ambiante, puis on égoutte au moins partiellement le minéral en milieu gazeux, et on répète le processus un nombre de fois prédéterminé en fonction de caractéristiques spectrophotométriques du minéral que l'on souhaite obtenir. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on expose le minéral à un faisceau (22) d'électrons dans l'air ambiant, à la température ambiante. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on refroidit progressivement le minéral dans l'air ambiant. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on refroidit le minéral à plus faible température que la température ambiante, dans de l'eau. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on égoutte au moins partiellement le minéral dans l'air ambiant. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on expose le minéral à un faisceau (22) d'électrons possédant une énergie au plus égale à 10 MeV. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on expose le minéral à un faisceau (22) d'électrons pulsé. 8. Installation de coloration de minéraux, par exemple des pierres précieuses ou semi-précieuses, caractérisée en ce qu'elle comporte un carrousel (1) rotatif comportant des paniers (14) adaptés pour recevoir des minéraux à colorer, une source d'électrons (2), et un bac de refroidissement (3), le carrousel (1) étant actionné en rotation autour d'un axe de telle manière que les minéraux contenus dans les paniers (14) soient en continu transférés d'une zone d'exposition à un faisceau (22) d'électrons émis par la source (2), à une zone de refroidissement dans un liquide contenu dans le bac (3), et de la zone de refroidissement à la zone d'exposition, un nombre de fois prédéterminé en fonction de caractéristiques spectrophotométriques que l'on souhaite obtenir pour les minéraux. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le carrousel (1) est à une distance réglable de la source d'électrons (2), de telle manière que la zone d'exposition des minéraux au faisceau (22) d'électrons puisse être placée au plus près de la source d'électrons. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que le faisceau (22) d'électrons est mobile dans un mouvement de balayage dans un plan de balayage s'étendant dans la direction de la longueur des paniers (14), et cette longueur, au niveau de la surface supérieure de la masse de minéraux contenue dans le panier, est approximativement égale à l'amplitude de balayage du faisceau (22) au niveau où s'étend cette surface supérieure quand elle traverse le plan de balayage. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que la profondeur des paniers (14) est approximativement égale à l'épaisseur maximale de minéraux susceptible d'être ionisée. 12. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que l'énergie des électrons du faisceau (22) est au plus égale à 10 MeV. 13. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisée en ce qu'elle comporte une zone de refroidissement des minéraux dans un gaz ambiant, comprise dans le trajet des paniers (14) s'étendant de la zone d'exposition au faisceau (22) d'électrons à la zone de refroidissement dans un liquide. 14. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisée en ce qu'elle comporte une zone d'égouttage des minéraux, comprise dans le trajet des paniers (14) s'étendant de la zone de refroidissement dans un liquide à la zone d'exposition au faisceau (22) d'électrons. 15. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, caractérisée en ce que le bac (3) comporte un organe (35) de réglage du niveau de liquide. 16. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisée en ce que les paniers (14) sont interchangeables de manière que le carrousel (1) puisse être muni de paniers de différentes dimensions. 17. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 16, caractérisée en ce que la vitesse de rotation du carrousel (1) est réglable. 18. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 17, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de sécurité relié électriquement à la source d'électrons (2) et à l'alimentation électrique du carrousel (1) pour interrompre l'alimentation de la source et ainsi le faisceau (22) d'électrons, en cas d'arrêt du carrousel, et réciproquement. 19. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 18, caractérisée en ce que le liquide de refroidissement est de l'eau. 20. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 19, caractérisée en ce que le faisceau (22) d'électrons est pulsé.