辐射改色处理

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。最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，甚至是唯一原因。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，最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仅限于亭尖部。

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，例如使用最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仅限于实验，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极强，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。

高秀清　陈炳贤　董鹤琴

第一作者简介：高秀清，中宝协第三届人工宝石专业委员会副主任委员，原中国原子能研究院高级工程师。

一、引言

随着科学技术的发展，社会财富的积累，人们对珠宝饰品的需求量越来越大。然而，自然产出的矿产资源是有限的，由于长期大量开采，天然宝石资源日益减少，其中色彩、质地、光泽皆佳的高品位的宝石更加稀缺。为满足市场的需求，人们进行了宝石品位的改善研究，采用各种优化处理工艺对颜色不佳，透明度差等影响外观美的各种有缺陷的宝石进行人工技术处理，使其颜色、透明度和净度等外观特征得到改善，将天然宝石自身的潜在美质充分展现出来，从而提高它的美学价值和商业价值。同时，使宝石的自然资源得到充分利用。

世界上宝石优化处理技术发展很快，许多国家和部门设立了专门的研究机构，并拥有一批专家队伍和先进的技术设备，专门从事天然宝石的优化处理技术研究和商业化生产。而我们国家在这方面还需要大力加强。

二、宝石优化处理技术分类

宝石优化处理技术的采用，要根据宝石的特性和我们欲求的目标而定，如对颜色的改善可采用热处理，也可采用辐照和热处理相结合的多道工艺过程来实现。宝石优化处理技术大致分为五类。

1热处理技术

热处理技术是应用最早的，最古老的，也是应用面最宽的技术。热处理技术需要多种工艺条件相配合，如①温度，由低到高，从 150～2000℃不同温度段的选择；②升降温速率，温度梯度的选择，最高温度及恒温时间等选择；③炉内气氛，氧化或还原气氛，或惰性气体保护等；④真空，真空度控制等，市场上出售的红、蓝宝石，海蓝宝石和蓝色坦桑石等都经过热处理；⑤通气加压。

2辐照－热处理技术

辐照是使高能粒子进入宝石晶体内，通过能量交换，晶体内产生大量的点阵缺陷和离位原子缺陷，形成色心。色心的能量有高有低，形成不同颜色的混合，这使颜色很难看。但低能量色心不稳定，故再进行热处理，可破坏低能量色心，即清除杂色，使漂亮的颜色固定下来，这就是采用辐照着色，热处理固色的技术。此方法不改变宝石自身的物理化学性质，只在外观上使颜色变得鲜艳，透明度有一定的提高。按照我国国家标准，此方法属于优化处理中的“处理”范畴。

目前，国际市场上很多天然宝石是经过人工处理的，并已得到业界的认同和消费者的欢迎。

本着充分利用天然宝石资源和提高宝石价值的宗旨，我们开展了宝石优化处理技术的研究工作，主要是热处理和用辐照处理的方法对宝石晶体进行优化处理。不同品种的宝石，以及不同目标的实现，要采用不同的工艺条件。采用此种技术优化处理效果最好的是托帕石（topaz）、水晶、金绿宝石、金刚石、碧玺等。关于辐照技术及主要设备在后面做重点介绍。

3化学处理技术

通过化学反应，化学扩散和化学沉淀方法，把致色元素渗入到晶体中，或把着色剂沉淀于裂隙或孔道中，使其外观颜色得到改善。

4高温高压法钻石漂白技术

采用高温高压专用设备将淡褐色钻石处理成白色，有的可达到D色美钻。

5钻石高温高压改色技术

将淡褐色钻石处理成**、黄绿、蓝绿、蓝色和粉红色等色泽艳丽的彩钻。

三、人工辐照改色方法与主要设备

宝石辐照的辐射源种类很多，按其射线种类可分为：①γ射线辐照，主要采用60Co辐射源；②高能带电粒子辐照，主要采用加速器，如直线加速器，回旋加速器；③快中子辐照，用核反应堆的专门辐照装置进行辐照处理。

1）γ射线辐照：处理宝石后着色力弱，不能使金刚石着色，对于黄玉处理，只能达到天空蓝色，其优点是不诱发放射活性。

2）高能带电粒子辐照：用加速器产生的高能带电粒子（如高能电子、质子等）对宝石优化处理。一般情况下，带电粒子的能量越高改色效果越好；如果能量能够达到20MeV以上，作为辐射源比较好，其好处是残余放射活性比较低。但由于束流比较窄，因此辐照时间长，辐照费用高。以黄玉为例，经过高能电子辐照处理后，一般能达到浅蓝色。

3）快中子辐照：反应堆产生的快中子对宝石进行辐照改善时，由于快中子（E≥1MeV）的能量高，穿透力强，它轰击宝石晶体时能造成晶格损伤，产生大量的点缺陷，出现空位和离位原子，形成新的色心，出现颜色的变化，因此，改善的效果比较理想。但是，反应堆中的热中子同时轰击宝石晶体，宝石中的微量杂质元素会产生（n，γ）核反应，从而被“活化”生成不同半衰期的人工放射性核素。用堆中子辐射处理宝石时，其改善效果比较好，但热中子也诱发一定量的残余放射活性。为减少宝石中的杂质元素的活化作用，因此，要采取特殊的热中子屏蔽装置，以尽可能降低辐射后宝石晶体的放射活性。这方法我们已研究成功，并被成功地应用于黄玉的辐照改善，其改色效果非常理想。

四、辐照后的热处理

以黄玉辐照处理为例：辐照后黄玉晶体的颜色并非是单一的，可以观察到多种颜色，如灰蓝、蓝绿、浅棕、深棕、浅褐、深褐等色，偶尔出现过紫红色和橘**。热处理的目的，就是要消除杂色，使所需要的颜色充分地显现出来，并且使其颜色稳定，称为“固色”处理。

黄玉辐照与热处理过程产生的颜色变化如图1。

图1 黄玉经辐照与热处理的颜色变化示意图

热处理的温度和保温时间是十分重要的，热处理条件恰当，处理后的晶体显现出艳丽的色彩，迷人的光泽，晶莹剔透，十分诱人。热处理条件不适宜，蓝色中含有黑灰色，显得浓重而且沉闷。

本工作采用综合处理技术，处理过的黄玉、水晶、绿柱石等都得到明显的改善效果，尤其是黄玉处理后，色彩鲜艳，刻磨后折光效果好，有“天空蓝”、“瑞士蓝”和“伦敦蓝”等多种色调（表1）。

表1 辐照处理宝石的颜色效应

五、中子辐照宝石的放射活性

1放射活性来源

中子辐照宝石时，因热中子的核反应活化作用会产生放射活性，并且要持续相当长的时间，活性强度随着时间的延长而逐渐衰减。

以黄玉为例，基本上是铝和硅的氧化物，除此之外，还含有微量杂质元素。样品经中子活化分析可以知道，多数黄玉中都含有 Ta,Cr,Fe,Mn,Cs,Co等。这些元素经中子辐照之后，被“活化”变成带有人工放射性的核素。这些人工放射性放出不同能量的7射线和β射线，它们的半衰期不同，长的百天以上，短的仅有几分钟。

对于半衰期的核素如28Al,31Si,18O等，在一周内即可衰变完，组成黄玉的基体元素都生成上述短半衰期的人工放射性核素，故对人们的影响很小。黄玉中含有的微量杂质元素被活化后，不仅带有高能量的7射线，而且半衰期较长，故放射活性主要来自黄玉中的杂质元素。

2放射活性强度与持续时间

经中子辐照后的宝石，在一定时间内都带有放射活性，它的活性强度随时间的延长而有规律地衰减，最后衰减到豁免值。

产生的放射性强度和持续时间由辐照处理方法、宝石材料基体元素和杂质元素的种类及浓度所决定。杂质的种类与含量因产地、成矿条件不同而异，而且，差异很大。因此，应当选择基体元素和杂质元素的核特征性适宜的宝石原料进行辐照改色，只有这样，辐照后材料才不会带有长寿命核素。

六、放射活性的测量仪器

对于辐照处理的宝石必须进行残余活性的监测，采用仪表分类筛选，进行严格的管理，以保证安全。

核探测器种类很多，功能各异，可采用 Nal晶体探测器；Ge（Li）探测器（高灵敏度，高分辨率），该仪器与计算机联用可以很快地给出各种核素的比活度数据。除此之外，还可以采用α、β、γ表面沾污仪表进行现场测量和分级筛选，此种仪表不能给出绝对强度，只表示相对强度，作为粗测量筛选用比较合适。在我们的工作中，采用仪表筛选分级和仪器测量相结合，对每批材料进行跟踪测试直到合格为止。

七、豁免值

关于辐照处理过的宝石的残余放射性豁免值，目前国际上尚无统一规定，我国也没有制定出相应的标准。根据上述情况，我们以国际原子能委员会规定的“放射性物质安全运输规程”中的有关条款和我国国家技术监督局发布的中华人民共和国国家标准“对辐射源和实践豁免管理的基本标准”文件中的有关规定为依据，采用74Bq/g（2nCi/g）作为放射性物质的豁免比活度限值。低于74Bq/g的固体物即可作为非放射性物质管理。

豁免值是权衡多方面因素制定的管理规程，不超过豁免值的物质不会对人体造成危害，因为这一数值远低于危险度10-6～10-7Ci/g。而且，辐照宝石的残余活性随着时间的延长而逐渐衰减，只要放置足够长的时间，按照其规程办事，是不会给运输、加工和佩戴者造成危害的。

如果是天然的白就是好了，钻石颜色从高到底分别是D E F G H I J K L M N O P Q R S T ```Z,越往前越好啊！但是如果经过高温高压改色，就不太好了，或者因为奶油荧光使钻石变白也是不好的。所以选钻石的时候要各项参数综合比较着来选

棕色钻石自古以来都有出产，但并不被人们所喜爱。过去多数的棕色钻石都被用作工业用途。20世纪80年代，澳大利亚的阿盖尔矿大量产出棕色钻石。澳大利亚向全世界极力推销棕色钻石，利用各种方法来促销，大力提高其接受程度。现在棕色钻石都以法国葡萄酒来命名，冠以浅棕色钻石为香槟钻石，冠以深棕色钻石为考涅克（Cognic，干邑白兰地）钻石。在香槟钻石首饰设计比赛和诱人的颜色级别的促销下，现在棕色钻石已成为流行时尚，主要用于中价位的钻石珠宝首饰。图3-13为北极光钻石集中的一颗天然棕色钻石。

棕色钻石的颜色主要是由晶体的塑性变形所产生的。塑性变形的程度越高，其棕色就越深。在显微镜F观察，其晶体的塑性变形呈棕色带状分布。这里所述的塑性变形实际包括真正意义上的塑性变形和不可恢复的永久变形。塑性变形在高温高压下会恢复到固有的立方晶格结构，由塑性变形所产生的棕色也会随之消失；永久变形经高温高压处理也不会恢复到固有的立方晶格结构，由其所产生的棕色也不会消失。

图3-13 北极光彩色钻石集中的一颗棕色钻石（Tino Hammid/Courtesy of Aurora Gem Collection）

第236 号，重164ct

钻石的塑性变形在可见光波长范围的中部产生一个中心位于 550nm的宽吸收峰。这一吸收峰使钻石呈现紫红色调的颜色。这一宽吸收峰的相对强度较低，而且总是伴随较强的无选择性吸收，使颜色为棕色，而不是高饱和度的紫红色。

因为棕色钻石的颜色是由钻石晶体的塑性变形所产生，只要消除钻石晶体内部的应力就可以消除晶格的塑性变形，以改善棕色钻石颜色。很多Ⅱa型棕色钻石只有塑性变形，不具有其他任何与氮有关的色心和能带。这种Ⅱa型棕色钻石经过高温高压处理后，可以消除塑性变形，使棕色钻石的颜色大为改观，甚至变成完全无色的钻石，其颜色能够最高达到 D 级。现在美国的通用电气公司和世界上其他几家公司从事棕色钻石的高温高压改色业务。国际钻石珠宝市场上很容易购买到经高温高压处理的无色钻石。

经高温高压处理的无色钻石与天然无色钻石外观相差无几，很难用肉眼或宝石学仪器鉴定出来。但经高温高压处理的无色钻石的类型是Ⅱa，因此可以借助红外光谱测量或紫外光谱测量加以鉴定。经高温高压处理的无色钻石的红外光谱没有天然无色Ⅰa和Ⅰb型钻石的红外吸收峰。另外，经高温高压处理的Ⅰb型无色钻石的紫外截止波长在220nm，而天然Ⅰa型和Ⅰb型无色钻石的紫外截止波长在330nm，因此，使用紫外分光光度仪测量钻石的紫外截止波长也可以准确鉴定经高温高压处理的无色钻石。

根据法律规定，经高温高压处理的无色钻石在出售时必须向顾客说明不可隐瞒经高温高压处理的事实。美国通用电气公司在经高温高压处理的无色钻石的腰围上用激光刻有经高温高压处理的标记“GE POL”，其中“GE”为通用电器公司（General Electric）的缩写，“POL”为派加索斯海外公司（Pegasus Overseas Ltd）的缩写，派加索斯海外公司是美国通用电器公司销售高温高压处理钻石的伙伴公司。GE POL激光标记可以供钻石交易时的鉴别。虽然高温高压处理钻石的颜色是永久性的，但磨去高温高压处理的标记是违法行为。

已知最大的香槟钻石为“金巨人”（Golden Giant），重达40743ct；最大的考涅克钻石为11159ct的“地球之星”（Earth Star）。

宝石有一个很大的特点就是它的稳定性， 化学性质和物理性质都很稳定，所以区区的暴晒根本不可能改变宝石的颜色。 所以水晶不会有什么变化，那点紫外线也不会造成什么影响。

但是钻石有可能会有颜色变化，因为有的钻石荧光很强，就是在紫外线的激发下会有自身发光的特征，荧光的颜色钻石很有特征，就是以蓝白色为主，其他颜色很多。 所以，很多钻石分级中是有钻石荧光强度的分级的，比如GIA证书中就有。。 因为大部分钻石都属于开普系列，微微发**，所以，在淡蓝色荧光的时候会一定程度的抵消钻石的体色（补色原理）。 所以，荧光强烈的钻石在烈日下会有颜色的差异。

其他宝石中，道理雷同，很多有荧光的宝石都会在烈日下有微小的颜色变化，比如蓝宝红宝。 很有趣的是在缅甸买红宝的话都觉得特别漂亮，（红色荧光），但拿回中国来总觉得没那么漂亮，很大程度就是挑选了荧光强的宝石。但水晶是没有荧光的。 诸如此类很多，比如有的琥珀有蓝色荧光，等等很多特例了。

另外，还有些宝石比如绿松石、欧泊一类含水很高的宝石，就很怕晒，晒的多了水分跑了，颜色就变了，有的还会裂开坏掉。

这种钻石是经过高温高压处理过的。

总的来说比较难鉴定。好不好鉴定主要看你的待测钻石鉴定特征是否比较明显。

处理这种钻石的通用公司承诺在这种钻石的腰部刻上GE POL字印。除非你把字印磨掉不然懂行的一看就知道是处理的钻石。