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如何进行辐射改色处理?

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2023/7/11     浏览次数:    
  许多天然彩色钻石的颜色是由于在自然环境下受到辐射而产生色心所致。比较常见的天然辐射色心是绿色天然钻石的GR1色心。根据天然辐射的致色机理,对钻石进行人工辐射也可以产生同样的GR1色心。绝大多数的人工处理绿色钻石经过了辐射处理。
  在自然环境下,钻石的辐射色心主要是由钻石与放射性物质直接接触,由放射性物质所释放的高能射线造成钻石的晶格损伤所致。放射性物质在衰变过程中辐射出α、β和γ三种射线。α射线由质子和中子组成,带有正电荷;β射线为电子,带有负电;γ射线是高能电磁波,不带电。在自然界造成钻石辐射损伤的主要是α粒子。由于a射线由质子和中子组成,质量很大,只能穿透钻石的表面浅层,厚仅几微米,很容易被抛光去除。a粒子造成的钻石晶格损伤不仅能产生空穴,而且可产生较大范围的晶格破坏,遭破坏的钻石表面在显微镜下呈现棕色,而不是绿色。在切磨时,由α粒子产生的表面色心和晶格损伤多数会被去除,使饱和度降低。显微镜下有时在切磨钻石的腰围处会观察到未经去除的棕色表面,一般这是天然颜色的佐证。不过人工辐射也会在钻石表面产生棕色辐射损伤区域,因此,该区域不能作为天然颜色的结论性证据。
  在人工环境下,将切磨的钻石放入放射性物质中,经一段时间即可产生GR1色心,从而改变钻石的颜色。常用的放射性物质有铀、钸和钴等的盐类化合物。当钻石与放射性物质直接接触而产生GR1色心时,造成钻石晶格损伤的也主要是a粒子,一般需要几个月甚至更长的时间,除此,a粒子还可以使钻石带有放射性,需要50年以上的时间才能蜕变到安全范围,因而a粒子辐射处理不适合于商业用途的钻石改色处理。
  天然辐射的β射线强度较低,远远小于α射线,对钻石的损伤也很小。天然γ射线具有很高的能量,并不带有电荷,可以贯穿钻石,在钻石内部产生空穴。在天然环境,当辐射源与钻石没有直接接触时,γ射线是产生空穴的主要原因。经长时间的辐射,γ射线可以在钻石内产生较均匀分布的空穴。由GR1色心产生的、具有均匀颜色分布的天然绿色钻石之颜色应该主要是由天然γ射线造成的辐射损伤空穴而产生。
  无论是天然γ辐射还是人工γ辐射都可以贯穿整个钻石,同时产生GR1色心。由γ辐射产生的GR1色心不仅处于钻石的浅层,而且基本均匀地分布在钻石内部。虽然γ辐射的能量很高,但与晶格中的碳原子发生作用的概率并不高,因而形成GR1色心的速度很慢,一般需要几个月甚至更长。由γ辐射产生的颜色饱和度一般较低,颜色均匀分布,不会因切除钻石原石表面而消失。
  原子反应堆内发生核裂变时产生大量的快中子,钻石晶格在快中子的轰击下可以产生晶格损伤。将钻石放入原子反应堆内一段时间即可产生GR1色心,从而改变钻石的颜色。快中子能量高并不带有电荷,可以穿过整个钻石,在整个钻石产生均匀颜色。中子的质量很大,与碳原子碰撞时不仅可以产生空穴,还可能将局部晶格破坏,结果就是对光产生无选择性吸收,如同炭黑对光的吸收一样,但吸收率很低,因为局部破坏的范围有限而且遭到破坏的晶格的相对密度也很低。
  利用加速器所产生的高能粒子轰击钻石可以产生晶体空穴来改变钻石的颜色,例如使用高能电子、中子和a粒子等。在高能粒子轰击下可以产生很强的GRl色心,再经热处理可以得到多种其他种类的色心,从而获得许多颜色。电子加速器容易建造,早用于钻石改色处理。用于钻石改色处理的电子加速器的能量一般为2MeV,可以产生很强的GR1色心。由于电子的体积小,高能电子的穿透能力强,2MeV的高能电子可以贯穿大约2mm厚的钻石晶体。为提高改色的效率并不易被察觉,通常高能电子被聚焦在很小的面积上,刻面钻石经高能电子处理的部位往往限于亭尖部。
  近几十年来,越来越多地利用加速器产生的高能中子束轰击钻石来改变颜色。大型中子加速器所提供的中子源可以用来对钻石进行轰击处理实验,例如使用现代的加速器提供的散裂变中子源(Spallation Neutron Source)对钻石进行改色处理实验。由于费用昂贵,大型中子加速器的钻石改色处理限于实验,不能作为商业钻石改色用途。小型中子加速器(Compact Accelerator Neutron Generator)的安装和使用费用较低,中子束的能量和强度足以进行钻石的改色处理,一般公司可以购买和安装,近一二十年来,在钻石改色方面得到较多的使用。中子不带电荷,质量是电子质量的1800多倍,高能中子束对钻石晶格的破坏远远大于高能电子对钻石晶格的破坏。高能中子束不仅可以在钻石晶格产生大量空穴,还可以造成大范围的晶格破坏。近些年来,经改色处理的黑色钻石的颜色都是由高强度中子轰击所产生的。
  小剂量中子轰击即可在钻石晶体产生较高浓度的空穴,因而小型中子加速器愈来愈多地受到青睐。现在已很少使用电子加速器产生的高能电子束对钻石进行改色处理。高能中子束和高能电子束都是造成晶格空穴而产生GR1色心,它们的主要不同之处在于高能中子束对钻石晶体的破坏性强,既可以产生晶格空穴,又可以在较大范围破坏晶格结构,从而产生相对很强的无选择性吸收。高能中子处理彩色钻石时辐射剂量的控制非常关键:过高可能会产生不需要的无选择性吸收,过低又不能产生足够的空穴浓度以获得较高的饱和度。
  钻石辐射处理的效率与温度有关,钻石的温度越高,辐射处理的效率越高。高温下钻石晶体的原子热振动加剧,在高能粒子束的轰击下较易产生空穴。人工辐射处理时,钻石一般处于高温下,常用温度为500~800℃;用高能中子束轰击处理黑色钻石时,高温可能超过1000℃。
  切磨钻石的抛光表的辐射损伤是人工辐射处理的直接证据,亭尖部高饱和度的颜色区域也是人工辐射处理的佐证,鉴定彩色钻石时应加以注意。
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