辐照处理-去问二

辐照处理

的有关信息介绍如下：

辐照处理

（一）基本原理

利用辐照源的带电粒子（加速电子、质子）、中子或γ射线辐照宝石，通过带电粒子、中子或γ射线与宝石中离子、原子或电子的相互作用，最终在宝石中形成电子－空穴心或离子缺陷心。辐照的本质是提供激活电子、格位离子或原子发生位移的能量，从而在被辐照的宝石中诱生辐照损伤心，进而产生颜色或改变颜色。

1.带电粒子与宝石相互作用

一般说来，带电粒子与宝石相互作用主要引起核外电子的激发和电离。当带电粒子接近宝石原子时就会与原子核外电子发生静电作用，而使电子获得能量，如果电子获得的能量足够大，则电子可以从原子中跑出来而使原子电离。被电离的电子仍具有足够大的动能，还可以进一步引起另一个原子核外的电子的激发和电离，引起宝石中原子的位移和相应的化学变化。图4-2-9为电子加速器辐照处理黄色绿柱石。

图4-2-9 辐照处理黄色绿柱石（a）处理前；（b）处理后

2.快中子与宝石的相互作用

由于快中子不带电荷，不能与被辐照宝石的原子核外的电子发生作用，因此不能直接对宝石分子产生电离和激发。但快中子可以与其原子核直接发生弹性碰撞、非弹性碰撞、核反应、俘获反应等，产生新的带电粒子或引起离子位移，这些粒子或离子将引起另外的原子或离子电离或激发，产生被电离的位移原子。这些被电离的位移原子实际上是重的荷电粒子，它可以引起进一步的电离和原子位移。

（二）辐照源的类型

1.α辐射

由放射性元素衰变释放出来的高速飞行的氦原子核，也可以依靠氦离子在回旋加速器中获得。它带有两个正电荷，质量接近4个原子质量单位。重放射性元素放射出来的α粒子的能量约为4～8MeV。

2.β辐射

产生于原子核衰变或电子加速器。一般放射性核素产生的β射线能量为0.015～2MeV，电子加速器产生的β射线能量在0.2～20MeV之间，它带有一个负电荷。

3.γ辐射

来自于原子核能态的变化，它是一种波长极短的电磁辐射，是能量W=h/c（λ式中h为普朗克常数，c为光速，λ为波长）和速度等于光速的光子束流。

4.中子

中子是质量约为一个原子质量单位的不带电粒子。主要来源有核辐照源、重核裂变、轻核聚变。分为热中子（0.025eV）、慢中子（0.03eV～100eV）、中能中子（100～10keV）和快中子（10keV～10MeV）。

（三）常见色心类型

色心泛指宝石中能选择性吸收可见光能量并产生颜色的晶格缺陷。属典型的结构呈色类型。色心的种类十分复杂，但最常见的为电子心（F心）、空穴心（V心）及杂质离子心。

1.电子心（F心）

电子心（F心）指宝石晶体结构中由于阴离子空位而引起的缺陷。就整个宝石晶体而言，当阴离子缺位时，空位就成为一个带正电的电子陷阱，它能捕获电子。如果一个空位捕获一个电子，将其束缚于该空位，这种电子呈激发态，并选择性吸收了某种波长的能量而呈色。因此，电子心是由一个阴离子空位和一个受此空位电场束缚的电子组成的。如萤石晶体中的氟离子离开正常格位，而形成一个阴离子空位（缺少负电荷），该结构位显示正电性，形成一个带正电的电子陷阱。为了维持晶体的电中性，阴离子空位必须捕获一个负电子，由此产生的色心称之为电子心（F心）。

若一个阴离子空位捕获两个电子时，称为F′心；两个相邻的F心称为F2心；三个相邻的F心称为F3心；两个相邻的阴离子空位只捕获一个电子称为R心。

2.空穴心（V心）

空穴心（V心）是晶体结构中由于阳离子缺位而引起的色心。从静电作用考虑，缺少一个阳离子，等于附近增加了一个负电荷，则附近一个阴离子必须成为“空穴”才能保持静电平衡。因此，空穴心是由一个阳离子空位捕获一个“空穴”组成的。空穴与空位含义不同，前者指晶格离子中电荷不足；后者则指晶格中离子的缺失。如烟晶中以类质同象形式替代Si⁴⁺的Al³⁺杂质，在晶格位中形成正电荷不足的位置（正电荷陷阱），为了维持暂时的电中性，Al³⁺离子周围必须有相应的正一价阳离子存在。当水晶受到辐照后，与最近邻的O^2-将失去一个多余的电子，而残留下一个空位，形成空穴心。

（四）常见辐射损伤心类型

辐照处理宝石产生色心的过程较为复杂，往往是多种色心的组合。辐照处理宝石产生的色心，主要有以下两种类型。

1.电荷缺陷色心

电荷缺陷色心指宝石晶格点阵上的原子或离子仅在带电性质上发生变化而形成的色心，而该晶格位上的原子或离子既不增加也不减少。一般来说，当宝石晶体受到辐射时，辐射粒子与晶格位上原子或离子的外层电子发生相互作用，把辐射能量传给了电子，电子在吸收一定能量后，就会克服原子或离子的束缚而逃逸出去。从而形成了电荷缺陷色心（空穴心和电子心）。

2.离子缺陷色心

宝石中离子缺陷是指正常晶格位的离子在位置上发生了变化，形成了正负离子空位、空位聚集、填隙离子等缺陷。由此类缺陷所形成的色心称为离子缺陷色心。辐照可以产生离子缺陷色心。例如在辐照Ⅰa型褐黄色钻石的过程中，辐射粒子进入钻石与晶体中的碳原子发生弹性碰撞，在碰撞过程中，彼此间发生能量转移，从而使碰撞粒子的运动状态发生显著的变化，将钻石中的碳原子从其初始位置激离，从而产生GR1色心，形成蓝绿色钻石。钻石晶格位上原子或离子的电离或激发和中子与钻石晶体中原子核的相互作用，可导致钻石晶格位上离子的迁移，钻石晶格位上出现正、负离子空位或空位聚集和滑移线系。事实上，钻石经辐照后产生的往往是复合色心。

Ⅰa型淡粉红色钻石（塑性形变，橙红色荧光）经辐照处理后，可使颜色的饱和度得到加强，并变成红色或紫红色；某些透明度低的Ia灰色钻石（富H型）经中子辐照处理后，可变成漂亮的深蓝色（见图4-2-10）。

图4-2-10 辐照处理彩色钻石

（五）辐照宝石的色心转型

热处理是辐照作用的逆行为，它能使辐照作用产生的色心释放出来，从而破坏辐照产生的色心。色心具有不同的陷阱能级，加热可以使处于陷阱能级中的电子，越过陷阱能垒使色心消失。若被捕获的电子释放后不能返回原位，又被另一种缺陷中心所捕获，这时则可形成新的色心，实现色心转型。例如对辐照处理蓝绿色钻石进行高温退火处理，随温度的升高钻石的颜色从蓝绿色→绿黄色→金黄色→浅黄色→原本色（色心漂白）。这种颜色变化序列可以停止于任何一点，得到任一种颜色。

无色黄玉经γ射线辐照处理后，易诱生黄色不稳定色心和蓝色稳定色心（组合成褐色/棕褐色），经中温加热退火处理后，有助于消除黄色不稳定色心，稳固蓝色色心，并转变为蓝色黄玉（见图4-2-2）。辐照处理蓝黄玉进一步加热（560～580℃），色心漂白至无色黄玉。若采用快中子去处理无色黄玉，可直接诱生稳定的蓝色色心，并形成蓝色黄玉。

热处理的目的是使宝石的颜色稳固化，这主要是通过消除某种不稳定色心，增强另一些色心来改变宝石的颜色。高温退火/固色心/色心漂白的逆过程，使宝石中的某些能垒低且不稳定的色心首先消失，而使另一些稳定的色心得到加强，宝石的颜色也随着加热温度的不同而变化。但温度增加到一定程度时，最终会使宝石的色心全部消失。