微型光纖光譜儀在鉆石檢測中的運用①

王健行,陳美華

(中國地質(zhì)大學(xué)珠寶學(xué)院,湖北 武漢 430074)

微型光纖光譜儀在鉆石檢測中的運用①

王健行,陳美華

(中國地質(zhì)大學(xué)珠寶學(xué)院,湖北 武漢 430074)

現(xiàn)代技術(shù)對鉆石業(yè)的影響在不斷的擴(kuò)大,通過改善鉆石的顏色并由此提高其價格的方法變得尤為先進(jìn),如何有效的區(qū)分天然與優(yōu)化處理的鉆石一直是寶石學(xué)的研究熱點,對鑒別彩色鉆石而言其任務(wù)更加艱巨。筆者運用美國海洋光學(xué)公司生產(chǎn)的微型光纖光譜儀(U SB4000),對來自中國、俄羅斯、韓國等地的17顆鉆石樣品進(jìn)行了譜學(xué)分析,結(jié)果表明該測試方法能高效、快速、低成本地區(qū)分天然、高溫高壓處理、輻照處理的鉆石,且同種類型不同顏色的鉆石樣品之間又存在著較明顯的差異。因此,該方法為鉆石的檢測提供了可行性依據(jù),具有非常廣闊的應(yīng)有前景。

微型光纖光譜儀;天然鉆石;高溫高壓處理;輻照處理

Abstract:M odern technology is increasing its impact on the diamond sector.M ethods for changing the color and consequently the value of diamonds are becom ing more and more advanced.So how to identify the nature and the treated diamond is always being the focus of gemology.The authors use U SB4000,which is manufactured by American Ocean Optics company,to test 17 diamond samples which come from China,Russia,and Korean etc..The results show that U SB4000 can distinguish nature,high temperature high pressure treatment,and irradiated enhanced diamonds efficiently and quickly.A nd the same kind of diamond w ith the different colors exist remarkable difference.So,it provides a method to identify the diamonds and w ill have a w ide application prospect.

Keywords:m icro-optical spectrometer;nature diamonds;HTHP treatment;irradiation treatment

根據(jù)顏色,鉆石分為無色-淺黃系列和彩色系列。如今,人們可以通過不同的方法改善鉆石的顏色,例如高溫高壓(HTHP)優(yōu)化處理法可以使鉆石呈現(xiàn)黃綠色、無色、金黃色、褐紅色等,而CVD合成單晶鉆石可使鉆石產(chǎn)生褐黃色、藍(lán)色和近無色等[1]。因此對快速、有效的區(qū)分天然、優(yōu)化處理、合成鉆石提出了新的挑戰(zhàn)。如今,寶石實驗室主要采用各種大型儀器,如傅立葉紅外光譜儀,紫外-可見光譜儀,拉曼光譜儀等,通過分析譜學(xué)特征進(jìn)行檢測。而隨著光譜學(xué)的發(fā)展,微型光纖光譜儀被越來越多的應(yīng)用于鉆石檢測中,其優(yōu)點在于系統(tǒng)的模塊化和靈活性。

1 儀器及樣品情況

由美國海洋光學(xué)公司(Ocean Optics)生產(chǎn)的U SB4000具有U SB2000的所有功能,其所用的CCD為3648象素,使它具有更高的信噪比和更快的積分時間。波長范圍為200～1100nm,14種光柵,波長從紫外到近紅外。

本實驗采用反射法測試,選用該儀器配套的D65光源,室溫下(約20℃)對不同顏色及類型的鉆石的可見吸收光譜進(jìn)行測試,測試波長范圍在350～800nm。實驗樣品共17粒:其中天然鉆石(ND)4粒,俄羅斯HTHP處理鉆石(RD)9粒(其中金黃色、黃綠色、褐紅色、近無色鉆石各2粒,淺金黃色1粒),韓國HTHP處理黃綠色鉆石(KD)2粒,輻照處理藍(lán)綠色鉆石(FZ)2粒。

2 實驗與測試結(jié)果

2.1 天然鉆石可見吸收光譜

天然近無色鉆石表現(xiàn)為385nm、394nm、403nm、415nm、478nm 吸收峰,系由N2、N3中心所致,天然褐色鉆石常伴有550nm處的舒緩譜帶,其向短波方向的快速吸收,導(dǎo)致鉆石呈明顯褐色調(diào)。

圖1 天然近無色樣品的可見吸收光譜Fig.1 V isible absorption spectra of nature near colorless sample

圖2 天然褐色樣品的可見吸收光譜Fig.2 V isible absorption spectra of nature brown samples

2.2 HTHP處理鉆石可見吸收光譜

圖3 俄羅斯金黃色HTHP處理樣品的可見吸收光譜Fig.3 V isible absorption spectra of golden yellow samples treated by HTHP from Russian

俄羅斯金黃色高溫高壓處理鉆石可見吸收圖譜表現(xiàn)為明顯的475～480nm處的吸收寬帶,即對藍(lán)紫光區(qū)的大量吸收,該吸收系由N2系造成(圖3)。N2系對鉆石的顏色有顯著的貢獻(xiàn),N2系吸收了藍(lán)光,以黃色為主的其他顏色光子就透過鉆石而使其顯現(xiàn)明亮的金黃色。

圖4俄羅斯褐紅色HTHP處理樣品的可見吸收光譜Fig.4 V isible absorption spectra of brownish-red samples treated by HTHP from Russian

前人對高溫高壓處理紅色鉆石的研究甚少,本樣品的U SB4000圖譜表現(xiàn)為638nm處的主吸收,耦合譜帶位于黃綠區(qū)560nm 附近,此外,伴有614nm、595nm弱吸收肩,并可見紫區(qū)425nm吸收帶,但未見415nm吸收峰(圖4),這在天然鉆石中是不可見的。

638nm處的主吸收是經(jīng)過高溫處理的有力證據(jù)。(N-V)-心產(chǎn)生了637nm的零聲子線和短波區(qū)的吸收帶是Ib型鉆石遭輻照損傷后并經(jīng)過700℃～800℃退火處理造成的,賦予鉆石粉紅色。若鉆石之前遭受過更大劑量的輻照,則此時可能呈現(xiàn)粉紅-紅色。Ia型鉆石經(jīng)輻射處理后再高溫退火(600℃～800℃),就可以產(chǎn)生595中心。由于595中心極少在天然鉆石中出現(xiàn),這個譜被作為鉆石是否經(jīng)過改色處理的判斷標(biāo)志。1982年Collins在3～4顆天然鉆石中探測到595中心的吸收,郭九皋等也在湖南砂礦鉆石中探測到595中心的存在。天然的595中心一般出現(xiàn)在具有褐斑,有時是具有綠斑或紫斑的鉆石中。[2]

圖5 俄羅斯近無色HTHP處理樣品的可見吸收光譜Fig.5 V isible absorption spectra of near colorlesssamples treated by HTHP from Russian

樣品RD-5、RD-6為近無色HTHP處理鉆石,在U SB4000圖譜上未見與N有關(guān)的吸收特征,而表現(xiàn)為較光滑的平直曲線(圖5)。筆者輔之紅外光譜測試,結(jié)果表明這兩顆近無色HTHP處理鉆石為IIa型。說明,U SB4000不僅能測試其可見吸收光譜,同時對鉆石的類型測試也可用作參考。

圖6 俄羅斯淺黃色、黃綠色及韓國黃綠色HTHP處理樣品的可見吸收光譜Fig.6 V isible absorption spectra of light yellow,yellow ish-green samples treated by HTHP from Russia and Korea

俄羅斯淺黃色、黃綠色及韓國黃綠色高溫高壓處理鉆石的可見吸收光譜表現(xiàn)出某些共性。圖譜顯示415nm的主吸收峰,伴弱峰404nm、394nm 的吸收或緩帶,均由鉆石中的N2、N3系氮雜質(zhì)所致,因此這類鉆石的處理對象多集中于Ⅰa型鉆石,紅外光譜測試也證明了這一點。此外,黃綠-綠色樣品均顯示了不同程度的503nm的弱吸收峰及475nm處的強(qiáng)吸收寬帶,淺黃色樣品則沒有475nm 的吸收寬帶(圖6)。

F.DeW eerdt和J.V an Royen(2000)[3]對諾瓦鉆石公司黃綠色樣品的研究發(fā)現(xiàn):其中紫外-可見光-近紅外光譜分析顯示強(qiáng)H3吸收/熒光以及H2吸收,是高壓高溫處理的明確標(biāo)志。紅外光譜中A,B和C心的同時存在和近紅外譜中H2吸收的存在是高溫高壓處理的明確標(biāo)志。當(dāng)用長波紫外燈照射時,經(jīng)過處理鉆石的紫外-可見光光譜中可觀察到的總的趨勢是極強(qiáng)的綠色H3熒光,最大值在529nm,這使鉆石的顏色呈黃綠到綠色。這與U SB4000測試的結(jié)果一致。

2.3 輻照處理鉆石可見吸收光譜

圖7 輻照處理樣品的可見吸收光譜Fig.7 V isible absorption spectra of irradiated samples

圖7中兩顆輻照處理鉆石為不同程度的藍(lán)綠色樣品,可見吸收光譜表現(xiàn)為741nm處的輻射損傷心(GR1心),及N2、N3系氮雜質(zhì)的部分吸收,并伴有620nm處吸收寬帶,吸收了紅光區(qū),致使鉆石呈藍(lán)綠色。天然藍(lán)色鉆石則多由B原子致色,光譜表征為從540nm至長波方向,可見吸收光譜的吸收率遞減。[4]

3 結(jié)論

筆者通過微型光纖光譜儀對鉆石樣品的檢測發(fā)現(xiàn),天然鉆石與某些經(jīng)過優(yōu)化處理鉆石的譜學(xué)特征存在著明顯的差異。而同種類型的鉆石,如高溫高壓處理鉆石,由于其內(nèi)部的晶格缺陷、鉆石類型的不同而導(dǎo)致的顏色、可見光譜的差異,均能通過U SB4000反應(yīng)出來。因此,該便攜、低成本的光譜儀設(shè)備能有效運用于區(qū)分天然、高溫高壓處理、輻照處理鉆石的工作中,能有效的提高工作效率,具有廣闊的運用前景。

[1] M artineau P.M.,Law son S.C.,Taylor A.J.,2004 Identifica-

附樣品圖片:tion of synthetic diamond grown using chem ical vapor depositions(CVD).Gem s&Gemology,2004,40(1):2-25.

[2] 謝先德,等.中國寶玉石礦物物理學(xué)[M].廣東科技出版社.1999:46-51.

[3] F De W eerdt,J Van Royen.Investigation of seven diamonds,HPHT treated byNova diamonds[J].J Gemm,2000,27(4):201-208.

[4] 張蓓莉.系統(tǒng)寶石學(xué)[M].第二版.北京:地質(zhì)出版社.2006.127

Application of m icro-optical spectrometer used in diamond identif ication

WAN G Jian-xing,CHEN M ei-hua
(Gemm olog ical Institute,China U niversity of Geosciences,W uhan430074,China)

圖10 韓國HTHP處理樣品Fig.10 Samples treated by HTHP from Korean

圖11 輻照處理樣品Fig.11 Irradiated samples

TS933;TQ 164

A

1673-1433(2010)02-0050-04

2010-02-26

王健行(1986-),男,中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院寶石學(xué)碩士研究生,FGA,GIC。