陰極射線實驗裝置圖

⑧ 陰極射線發光儀

陰極發光技術是用陰極射線管發出加速電子使寶玉石發光，根據不同成因，不同種類的寶玉石發光性不同，從而在鑒定和區別寶玉石工作中得到應用。又由於它具有成本低、無損、快捷和制樣簡單等優點，從20世紀70年代起開始被廣泛地應用於寶玉石鑒定工作。

一、陰極射線發光基本原理

陰極發光是從陰極射線管發出的具有較高能量的加速電子束激發寶玉石礦物的表面，電能轉化為光輻射而產生的發光現象，簡言之，即為物質在電子束轟擊下產生的一種發光現象。通常發出的是可見光(也可以是紫外光或紅外光)，不同寶玉石由於含有不同的激活劑元素，因而產生不同的陰極發光，其光波波長和強度與該物質的成分、結構、微量雜質等有關，所以，可以利用陰極發光的顏色及其強度等信息，研究寶玉石礦物晶格中的缺位(如電子-空穴心)以及雜質離子。不同成因的寶玉石礦物在電子轟擊下會發出不同顏色或不同強度的可見光，同時一些與晶體生長環境有關的晶體結構或生長紋也可得到顯示。因此，陰極發光光譜可以作為研究寶玉石礦物的顯微探針，用以鑒定寶玉石礦物；確定寶玉石中微量雜質離子的種類、價態、配位體的對稱性。

用來激發並產生陰極發光的裝置叫做陰極發光裝置，把這種陰極發光裝置裝在顯微鏡上則成為陰極發光顯微鏡。它由五大部分組成：①顯微照相系統(包括偏光顯微鏡)；②冷陰極電子槍；③樣品室；④控制系統；⑤真空泵。

二、陰極發光及其應用

1.在鑽石鑒別和研究中的應用

(1)天然鑽石生長環帶：由於鑽石生長環境的變化，物質成分的供應也產生變化，因此鑽石在陰極發光下顯示不同顏色和不同生長紋。陰極發光環帶結構特徵綜合體現了各種地質事件，對研究和探討形成環境的物理化學條件的變化有著重要的意義。

(2)區分天然與合成鑽石：生長環境的不同，所接受的雜質成分含量的不同，造成天然和合成寶玉石在生長結構上有顯著差異。合成鑽石有不同的生長區，且具有規則的幾何圖形(受生長區控制)。常見的八面體生長區呈十字交叉狀分布於晶體的角頂，發深藍色和淺藍色的光(Collins A.T.，1989)。

(3)區別處理前和處理後的鑽石：同一顆鑽石樣品，在高溫高壓處理前的陰極發光為黃色，經高溫高壓處理後的陰極發光為藍色。

(4)鑽石的缺陷中心研究：寶玉石在陰極射線激發下可以發射出色調、譜位及強度不等的光，可利用陰極發光的圖彩和陰極發光光譜的表徵，揭示缺陷中心及發光機理。當輻照源的高能粒子進入鑽石，會形成電子缺陷心。從陰極發光譜中可識別出 ND1 心(發光峰位於388nm)和S1心(發光峰位於515～520nm)。ND1心主要出現在Ia型鑽石中，具有重要的標型鑒定意義(圖13-7-1)。S1心屬於一種典型的輻射損傷心，一般發射強藍綠色光(據亓利劍，2000)。

圖13-7-1 處理輻照綠色鑽石的陰極發光譜

2.翡翠的陰極發光

(1)翡翠的陰極發光特徵：在陰極發光下翡翠的主要礦物成分硬玉通常發暗至中亮綠至黃綠色光；當硬玉成分較純時發亮紫紅色光；當硬玉中不含鐵而含鈣和錳時往往發中至亮紫藍色光和白色光；依據陰極發光圖像能較好地區分翡翠和其他相似玉或仿製品(張鼐等，2000)。

(2)陰極發光可用來識別翡翠的A、B、C貨：在陰極顯微鏡下翡翠的結構清楚可見，A、B、C貨各有其明顯的區別特徵。

A貨：翡翠因雜質成分不同，其發光各有特色。在陰極顯微鏡下以發暗綠—黃綠色光帶紫藍色光為主，個別的發葡萄紅色和白色光。

B貨：發均勻的亮綠—黃綠色光，晶體周邊常被溶蝕成港灣狀或參差狀，裂縫充填有膠，可發綠色的光，裂縫兩側的晶體溶蝕現象明顯。

C貨：主要的陰極發光特徵是裂縫發育且不發光，染料沿裂縫向顆粒間隙滲透的特徵在陰極發光下清晰可見。

3.錫石的陰極發光與成因研究

錫石是一個寬能隙(E_g＞3eV)半導體礦物，吸收光譜譜帶產生在紫外光區。因此錫石的陰極發光在可見光區觀察不到。因為天然錫石中常含雜質離子(特別是過渡金屬離子)使能隙減小，當電子由激發態回到基態則可見發光現象。

圖13-7-2 錫石的陰極發光譜

按陰極發光的特徵將錫石分兩種不同的成因類型：偉晶岩型錫石和熱液型錫石。熱液礦床中錫石的陰極發光譜如圖13-7-2。由圖13-7-2自下向上可知，淺褐色—褐色—深褐色的錫石具有兩個強度不等的發光帶，對應發光帶的顏色分別為黃色、黃綠色對應發光帶的顏色分別為黃色、黃綠色。兩帶強度相等見黃綠色發光，若Ⅰ帶＞Ⅱ帶則發黃色光，若Ⅰ帶＜Ⅱ帶則發綠色光。發光主要是由激活 Ti⁴⁺離子引起的，而Fe³⁺+Sn⁴⁺的佔位形成受主能級，起激活劑或敏發劑的作用，Ⅱ帶是由激活劑W引起的，其中Fe對W的發光起猝滅作用。

花崗岩岩漿型錫石富Ta、Nb、Fe、W等元素，其雜質離子的濃度高，錫石在常溫下不發光。

思考題

1.X射線的散射分為______和______散射兩種。相乾的光子進行相互干涉並產生一些______現象。

2.X射線管產生的X射線包含兩部分：一部分是具有連續波長的______X射線，另一部分是由陽極金屬材料成分決定的有一定______X射線。

3.X光在晶體中的衍射一定要滿足______方程，此方程中符號的物理意義：①______②______③______④______。

4.多晶 X 射線衍射儀法分為______和______兩種法。X 光的衍射圖的橫坐標表示______為______，縱坐標表示。

5.多晶X衍射儀法是物相鑒定的最好的方法除了對______組成的玉石可以______樣品外，對寶石的鑒定則需要______樣品，碾成______樣品。

6.在掃描電鏡中的高能電子束與樣品相互作用後，從樣品中激發出各種信息。對於寶石工作者最常用的是哪3種信息：______ ______ ______。

7.掃描電鏡中做形貌觀察主要是用______和______，掃描電鏡若帶有能譜(EDS)則可運和用特徵X射線做______。

8.電子探針成分分析一般是藉助於入射電子束作用於樣品表面產生的______的______和來實現的______。

9.電子探針定性分析的原理是根據______定律，寫出此定律的表達式______，及其公式中符號的物理意義__________。

10.電子探針(WDS)做成分分析的3 種基本方法是：__________。其中面分析能得到______ ______和______信息。

11.波譜儀(WDS)和能譜儀(EDS)的儀器結構上的主要區別是______。和______。

12.波譜儀(WDS)和能譜儀(EDS)在寶玉石學中的應用有：①______②______③______④______⑤______等。

13.X光熒光(XRF)光譜產生的原因是__________。它兩種譜儀一種是______，另一種是______。它們與波譜儀(WDS)和能譜儀(EDS)的區別是______。

14.波譜儀(WDS)、能譜儀(EDS)和X光熒光(XRF)光譜儀是否可以查明鑽石樣品中的碳和氮含量______和合成鑽石中鎳的含量______。

15.X熒光(XRF)光譜儀在寶玉石學中的應用有①______②______③______④______⑤______等。

16.紅外光譜和拉曼光譜都是______，但紅外光譜是______光譜，而拉曼光譜是______光譜。

17.拉曼光譜圖和紅外光譜圖的表示是______的，拉曼光譜圖的橫坐標是______，紅外光譜的橫坐標是______。

18.有紅外活性的寶石必須具有______的變化，有拉曼活性的寶石必須具有______的變化。

19.紅外區的劃分為3個區為1，______2，______3，______但只有中紅外區的1250～400cm^-1頻區是______區，而4000～1250cm^-1稱為特徵頻率區主要用於__________。

20.拉曼散射是______散射，因此光子與分子之間發生______交換後，光子的______會減少或增加，則在瑞利散射線的兩側出現______線和反______線。

21.紅外光譜在寶玉石學中的應用有：①______②______③______④______⑤______等。

22.拉曼光譜在寶玉石學中的應用有：①______②______③______④______⑤______等。

23.陰極發光的原理是__________。

24.陰極發光儀所用輻照源發射出的是______即物質在______束轟擊下產生的一種發光現象。通常發出的光是______光______。

25.陰極發光儀在寶玉石中應用：①______②______③______④______。

26.本章綜述了7種大型儀器在寶玉石中的應用它們各有其特點：

(1)確定寶玉石的晶體結構(d-I)確定物相使用______法。

(2)確定寶玉石的成分的鑒定方法有：①______②______③______。

(3)除了能做物相鑒定外，還能夠對鍍膜，充填和高溫高壓處理寶玉石進行區別的方法有①______②______。

(4)確定鑽石和其他寶玉石中的內部包裹體的方法有______分析。

(5)在可見光區能直接觀察到的晶體生長環境或生長紋，並能探討缺位的方法有______。