阴极射线实验装置图

⑧ 阴极射线发光仪

阴极发光技术是用阴极射线管发出加速电子使宝玉石发光，根据不同成因，不同种类的宝玉石发光性不同，从而在鉴定和区别宝玉石工作中得到应用。又由于它具有成本低、无损、快捷和制样简单等优点，从20世纪70年代起开始被广泛地应用于宝玉石鉴定工作。

一、阴极射线发光基本原理

阴极发光是从阴极射线管发出的具有较高能量的加速电子束激发宝玉石矿物的表面，电能转化为光辐射而产生的发光现象，简言之，即为物质在电子束轰击下产生的一种发光现象。通常发出的是可见光(也可以是紫外光或红外光)，不同宝玉石由于含有不同的激活剂元素，因而产生不同的阴极发光，其光波波长和强度与该物质的成分、结构、微量杂质等有关，所以，可以利用阴极发光的颜色及其强度等信息，研究宝玉石矿物晶格中的缺位(如电子-空穴心)以及杂质离子。不同成因的宝玉石矿物在电子轰击下会发出不同颜色或不同强度的可见光，同时一些与晶体生长环境有关的晶体结构或生长纹也可得到显示。因此，阴极发光光谱可以作为研究宝玉石矿物的显微探针，用以鉴定宝玉石矿物；确定宝玉石中微量杂质离子的种类、价态、配位体的对称性。

用来激发并产生阴极发光的装置叫做阴极发光装置，把这种阴极发光装置装在显微镜上则成为阴极发光显微镜。它由五大部分组成：①显微照相系统(包括偏光显微镜)；②冷阴极电子枪；③样品室；④控制系统；⑤真空泵。

二、阴极发光及其应用

1.在钻石鉴别和研究中的应用

(1)天然钻石生长环带：由于钻石生长环境的变化，物质成分的供应也产生变化，因此钻石在阴极发光下显示不同颜色和不同生长纹。阴极发光环带结构特征综合体现了各种地质事件，对研究和探讨形成环境的物理化学条件的变化有着重要的意义。

(2)区分天然与合成钻石：生长环境的不同，所接受的杂质成分含量的不同，造成天然和合成宝玉石在生长结构上有显著差异。合成钻石有不同的生长区，且具有规则的几何图形(受生长区控制)。常见的八面体生长区呈十字交叉状分布于晶体的角顶，发深蓝色和浅蓝色的光(Collins A.T.，1989)。

(3)区别处理前和处理后的钻石：同一颗钻石样品，在高温高压处理前的阴极发光为黄色，经高温高压处理后的阴极发光为蓝色。

(4)钻石的缺陷中心研究：宝玉石在阴极射线激发下可以发射出色调、谱位及强度不等的光，可利用阴极发光的图彩和阴极发光光谱的表征，揭示缺陷中心及发光机理。当辐照源的高能粒子进入钻石，会形成电子缺陷心。从阴极发光谱中可识别出 ND1 心(发光峰位于388nm)和S1心(发光峰位于515～520nm)。ND1心主要出现在Ia型钻石中，具有重要的标型鉴定意义(图13-7-1)。S1心属于一种典型的辐射损伤心，一般发射强蓝绿色光(据亓利剑，2000)。

图13-7-1 处理辐照绿色钻石的阴极发光谱

2.翡翠的阴极发光

(1)翡翠的阴极发光特征：在阴极发光下翡翠的主要矿物成分硬玉通常发暗至中亮绿至黄绿色光；当硬玉成分较纯时发亮紫红色光；当硬玉中不含铁而含钙和锰时往往发中至亮紫蓝色光和白色光；依据阴极发光图像能较好地区分翡翠和其他相似玉或仿制品(张鼐等，2000)。

(2)阴极发光可用来识别翡翠的A、B、C货：在阴极显微镜下翡翠的结构清楚可见，A、B、C货各有其明显的区别特征。

A货：翡翠因杂质成分不同，其发光各有特色。在阴极显微镜下以发暗绿—黄绿色光带紫蓝色光为主，个别的发葡萄红色和白色光。

B货：发均匀的亮绿—黄绿色光，晶体周边常被溶蚀成港湾状或参差状，裂缝充填有胶，可发绿色的光，裂缝两侧的晶体溶蚀现象明显。

C货：主要的阴极发光特征是裂缝发育且不发光，染料沿裂缝向颗粒间隙渗透的特征在阴极发光下清晰可见。

3.锡石的阴极发光与成因研究

锡石是一个宽能隙(E_g＞3eV)半导体矿物，吸收光谱谱带产生在紫外光区。因此锡石的阴极发光在可见光区观察不到。因为天然锡石中常含杂质离子(特别是过渡金属离子)使能隙减小，当电子由激发态回到基态则可见发光现象。

图13-7-2 锡石的阴极发光谱

按阴极发光的特征将锡石分两种不同的成因类型：伟晶岩型锡石和热液型锡石。热液矿床中锡石的阴极发光谱如图13-7-2。由图13-7-2自下向上可知，浅褐色—褐色—深褐色的锡石具有两个强度不等的发光带，对应发光带的颜色分别为黄色、黄绿色对应发光带的颜色分别为黄色、黄绿色。两带强度相等见黄绿色发光，若Ⅰ带＞Ⅱ带则发黄色光，若Ⅰ带＜Ⅱ带则发绿色光。发光主要是由激活 Ti⁴⁺离子引起的，而Fe³⁺+Sn⁴⁺的占位形成受主能级，起激活剂或敏发剂的作用，Ⅱ带是由激活剂W引起的，其中Fe对W的发光起猝灭作用。

花岗岩岩浆型锡石富Ta、Nb、Fe、W等元素，其杂质离子的浓度高，锡石在常温下不发光。

思考题

1.X射线的散射分为______和______散射两种。相干的光子进行相互干涉并产生一些______现象。

2.X射线管产生的X射线包含两部分：一部分是具有连续波长的______X射线，另一部分是由阳极金属材料成分决定的有一定______X射线。

3.X光在晶体中的衍射一定要满足______方程，此方程中符号的物理意义：①______②______③______④______。

4.多晶 X 射线衍射仪法分为______和______两种法。X 光的衍射图的横坐标表示______为______，纵坐标表示。

5.多晶X衍射仪法是物相鉴定的最好的方法除了对______组成的玉石可以______样品外，对宝石的鉴定则需要______样品，碾成______样品。

6.在扫描电镜中的高能电子束与样品相互作用后，从样品中激发出各种信息。对于宝石工作者最常用的是哪3种信息：______ ______ ______。

7.扫描电镜中做形貌观察主要是用______和______，扫描电镜若带有能谱(EDS)则可运和用特征X射线做______。

8.电子探针成分分析一般是借助于入射电子束作用于样品表面产生的______的______和来实现的______。

9.电子探针定性分析的原理是根据______定律，写出此定律的表达式______，及其公式中符号的物理意义__________。

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

11.波谱仪(WDS)和能谱仪(EDS)的仪器结构上的主要区别是______。和______。

12.波谱仪(WDS)和能谱仪(EDS)在宝玉石学中的应用有：①______②______③______④______⑤______等。

13.X光荧光(XRF)光谱产生的原因是__________。它两种谱仪一种是______，另一种是______。它们与波谱仪(WDS)和能谱仪(EDS)的区别是______。

14.波谱仪(WDS)、能谱仪(EDS)和X光荧光(XRF)光谱仪是否可以查明钻石样品中的碳和氮含量______和合成钻石中镍的含量______。

15.X荧光(XRF)光谱仪在宝玉石学中的应用有①______②______③______④______⑤______等。

16.红外光谱和拉曼光谱都是______，但红外光谱是______光谱，而拉曼光谱是______光谱。

17.拉曼光谱图和红外光谱图的表示是______的，拉曼光谱图的横坐标是______，红外光谱的横坐标是______。

18.有红外活性的宝石必须具有______的变化，有拉曼活性的宝石必须具有______的变化。

19.红外区的划分为3个区为1，______2，______3，______但只有中红外区的1250～400cm^-1频区是______区，而4000～1250cm^-1称为特征频率区主要用于__________。

20.拉曼散射是______散射，因此光子与分子之间发生______交换后，光子的______会减少或增加，则在瑞利散射线的两侧出现______线和反______线。

21.红外光谱在宝玉石学中的应用有：①______②______③______④______⑤______等。

22.拉曼光谱在宝玉石学中的应用有：①______②______③______④______⑤______等。

23.阴极发光的原理是__________。

24.阴极发光仪所用辐照源发射出的是______即物质在______束轰击下产生的一种发光现象。通常发出的光是______光______。

25.阴极发光仪在宝玉石中应用：①______②______③______④______。

26.本章综述了7种大型仪器在宝玉石中的应用它们各有其特点：

(1)确定宝玉石的晶体结构(d-I)确定物相使用______法。

(2)确定宝玉石的成分的鉴定方法有：①______②______③______。

(3)除了能做物相鉴定外，还能够对镀膜，充填和高温高压处理宝玉石进行区别的方法有①______②______。

(4)确定钻石和其他宝玉石中的内部包裹体的方法有______分析。

(5)在可见光区能直接观察到的晶体生长环境或生长纹，并能探讨缺位的方法有______。