钻石鉴定相关仪器

一、热导仪

物质的热能可通过三种方式进行传递：传导、对流和辐射。在室温条件下，主要是传导。

热有四种固有的特性，即热导率、热扩散率、传热系数和比热容。其中热导率对于物质而言是一常数，表示每秒钟通过一定厚度的物质的热量。热导率的测量单位为瓦特每米每摄氏度（W/m·℃）。热导仪是根据宝石的导热性能设计并制造的，它是一种用途较为专一的鉴定仪器。由于在所有宝石中，钻石具有极高的导热性能，因此，热导仪主要用于鉴别钻石及其仿制品（见图2-1-56）。

图2-1-56 热导仪外观

（一）设计原理

对于非均质体晶体而言，因为晶体结构的异向性，不同方向热导率不同。

通常认为热量的传递是通过自由电子和光子进行的。因此，金属的热导率较非金属大，而非晶质体中由于结构单元的无序性，光子产生更多的散射，因此晶体的热导率（λ较非晶体大。然而钻石是一例外，虽为非金属，但其热导率却比金属还要大（见表2-1-4）。其原因是，钻石的热导率与钻石晶体中碳原子振动或共振频率有关。在钻石晶体中，C原子非常轻，而结合的键力却很强。因此，原子的震动或共振频率非常高，并且C原子振动时消耗的能量非常小，热量可以非常迅速地传过钻石而不会被吸收。

表2-1-4 几种材料的热导率

（二）结构

热导仪包括热探针、电源、放大器和读数表四部分。读数表可由信号灯或鸣叫器代替，显示测试结果。电源为热探针供热，并为整个仪器供电。整个热导仪的关键元件是热探针，仪器内部结构如图2-1-57所示。

图2-1-57 热导仪结构示意图

电热元件为铜针，铜针两端连接仪表形成电路，即组成了热电偶。接通电源，经预热，铜针升至一定温度即可测试。当铜针外端与宝石表面接触时，热量传递给宝石，铜针外端降温，温度变化通过热电偶测出，再经过放大器和读数表或蜂鸣器显示结果。

（三）测试

1）待测宝石必须干燥和干净，测试应在室温下进行。

2）打开仪器开关，预热。手握探测器，以直角对准测试宝石，若探头接触了金属托，许多仪器会自动发出警报声。

3）施加一定的压力，仪器显示出光和声信号，得到测试结果。

（四）注意事项

1）热导仪的探头非常精细，因此在使用过程中，必须小心以免损坏。使用完毕应立即盖上保护罩。

2）电池电力不足时应及时更换，以免测量结果不准确。

3）长时间不使用，应将电池取出，以免造成仪器的腐蚀与损坏。

4）定期清洁探头，测试前将探头在一张软纸上轻擦即可。

5）测试裸石时，应使用金属托盘作为底托，热导仪通常有此附件。测试小粒宝石，如分钻，光和声信号可能不会很强。

6）在测试时，铜针应尽可能与测试宝石表面垂直接触。

7）宝石表面应干净、干燥，排除宝石之外的干扰。

8）尽量控制室内空气的流通，如不要急促呼吸，不要正对空调或窗户测试。

二、钻石确认仪（DiamondSureTM）

钻石确认仪（Diamond SureTM）是一种快速的天然钻石筛选仪器（见图2-1-58），可以检测重量在010～10ct范围内的无色—浅**（Cape系列）抛光钻石，它可以在各种环境下对已切磨钻石进行鉴定、对有怀疑的样品建议做进一步检测分析。但是被“建议做进一步检测”的样品，样品必须经附加检验才可确认其准确的产品类别，因为该仪器尚不能识别某些罕见天然钻石（大约占所有普通钻石的1%～2%）。钻石确认仪主要用于检测无色或基本无色的钻石。通常来讲，棕色天然钻石或其他彩色天然钻石鉴别后很容易显示“请进一步检测”，但天然黄钻石例外。该仪器可以鉴别**合成钻石与天然**钻石。钻石确认仪并不适用于其他宝石或钻石仿制品的鉴别分类，也不能用于检测天然钻石进行了何种人工处理，如裂缝填充、辐照或热处理等。

图2-1-58 钻石确认仪（Diamond SureTM）及其显示内容

钻石确认仪操作简便，既可用来检测未镶嵌的钻石，也可检测简单镶嵌过的钻石。检测时，将抛光的待测样品台面朝下放在光纤点中心位置、按“检测”键，这时仪器将自动检测并分析样品的可见光吸收光谱，几秒钟后显示屏上将出现测试结果。如果样品处于良好的检测状态、操作准确，会有以下几种结果之一出现在液晶显示屏上：

1）显示“通过”说明样品为天然钻石，无需做进一步检测。

2）显示“通过，请作热仪检测”的样品，如果在热导仪检测时显示为“钻石”，则该样品为天然钻石。合成立方氧化锆在钻石确认仪上也显示这样的结果，但热导仪检测不会显示为钻石。

3）显示“建议作进一步检测”，如合成钻石将会显示这一结果或者是以下两种结果之一。许多钻石仿制品也会显示这一结果，偶尔在检测天然钻石时也会出现这种信息，尤其是彩色钻石，但是通过常规宝石鉴定就可以确认。

4）显示“请进一步检测（Ⅰb型成分）”：Ⅰb型成分是**合成钻石的特点。在极少数情况下，天然钻石也可能显示此特性（这种极少的天然钻石则被称为“金丝雀黄”）。大部分浅**合成钻石经检测都会显示此结果。

5）显示“请进一步检测（Ⅱ型）”：所有无色天然Ⅱ型钻石、合成Ⅱ型钻石以及钻石仿制品都会显示如此结果。偶尔也会有Ⅰ型钻石检测后显示此信息。如果需要鉴定类别，该仪器的检测结果还需要通过红外吸收光谱分析确认。

6）显示“请进一步测试（碳硅石检测）”：碳硅石一般都能被钻石确认仪辨识，大部分都会显示本条信息。进行一些简单的宝石鉴定测试就可区别碳硅石和钻石。

实验性检测表明天然钻石中大约只有1%的天然钻石在钻石确认仪检测会被要求“建议作进一步检测”，这其中包括了稀少的Ⅱ型钻石和极少部分Ⅰb型钻石，这并不能肯定它们就是合成钻石或钻石仿制品，这种情况下常规的宝石学方法鉴定是不可缺少的。

总之，钻石确认仪是一种天然钻石快速分辨仪器，易于操作，能将所有的合成品及仿制品筛选出去，能识别Ⅱ型钻石和合成碳硅石。DTC对60万粒天然钻石样品进行过测试，98%的天然钻石样品“通过”钻石确认仪检测，不需要其他检测；仅不到2%的样品需要做其他的检测，以判断其是否为天然钻石。

三、钻石观测仪（Diamond ViewTM）

Diamond ViewTM是Diamond SureTM的绝好补充，运用钻石观测仪对样品的荧光图谱进行分析，可对被钻石确认仪“建议作进一步检测”的样品做准确鉴定。 当然，Diamond ViewTM也可以作为检测或研究仪器单独使用。Diamond ViewTM的原理是依据天然钻石与合成钻石的荧光图谱显示不同的生长结构，合成钻石在短波紫外光下呈现特征的生长区结构荧光图谱，从而可与天然钻石相区分。Diamond ViewTM的组成部分包括：电脑及显示屏，照相装置，真空夹持镊子及其他辅助元件（见图2-1-59）。

图2-1-59 钻石观测仪（Diamond ViewTM）

使用时将已抛光的钻石样品置于真空样品仓的短波紫外光下，电脑显示屏上会出现样品的紫外荧光图谱，操作者可方便地对焦于样品表明并选择适当的放大率。按“UV”（即紫外光）键，可见光关闭，紫外光打开，当显示屏上出现合适的图谱时，按“Capture”（即抓图）键，图像会保留在显示屏上。紫外灯熄灭后，显示屏会自动出现磷光图谱，以作检查。通常情况下近无色的天然钻石磷光很弱，而HTHP合成钻石磷光都很强、持续时间也长。磷光图谱会显示在屏幕的右下角。

与Diamond ViewTM连接的电脑中存有各种天然和合成钻石的紫外荧光图样，可直接将待测样品的荧光图样与之对比，从而得出结论。

总之，对钻石确认仪“建议作进一步检测”的样品，可借助钻石观测仪作荧光图谱分析。钻石观测仪可利用强短波紫外灯照射样品，激发样品获取荧光图谱，如HPHT合成钻石的荧光图谱显示特别的几何型生长区结构，从而达到进一步检测的目的。

四、590型无色合成碳硅石/钻石测试仪

用热导仪测试钻石和合成碳硅石时，两种材料均显示为钻石，二者无法区分。为此美国C3公司设计了590型测试仪，用于热导仪测试之后进一步区分钻石和合成碳硅石。590型测试仪体积小，携带方便，用途专一，操作简便（见图2-1-60）。

图2-1-60 590型无色合成碳硅石/钻石测试仪

590测试仪的设计原理是在导热性测试后，检测宝石对紫外光的吸收。钻石不吸收紫外光，紫外光可以穿透钻石，而合成碳硅石对紫外光有强烈的吸收。

测试时使宝石台面与仪器光导纤维探头端部保持垂直并接触（镶嵌钻石的金属托不能与探头接触）。如果是钻石，就能激活蜂鸣器和绿色指示灯；如果是合成碳硅石，只要宝石的台面与探头保持接触且未翻转，则绿色指示灯和蜂鸣器就应处于关闭状态。

590型测试仪为精密光导纤维电子仪器，必须在正常温度、湿度下使用，不得储存在有化学品的地方。光导纤维探头的端部应保持清洁。清洁探头时，应使用蘸过酒精的棉签轻轻擦拭其端部，然后用柔软的棉布擦干。由于光导纤维探头从测试仪中伸出，所以必须小心操作，以免对其造成损伤。590型测试仪在不用时，必须把防护滑板盖住测试口以保护探头。不得用手指直接触摸从590型测试仪的窗口可以看见的卤灯，因为卤灯在点亮后温度很高，皮肤上的盐分和油分对其有损坏。应用清洁的塑料或布擦拭卤灯，如果卤灯被手指触摸到，必须在使用前用酒精棉签擦拭干净。

五、反射仪

在宝石鉴定中，反射仪主要用于测试折射率超过标准折射仪极限的高折射率宝石的近似折射率，如人造钇铝榴石、钆镓榴石、钛酸锶、合成立方氧化锆、钻石等。

（一）原理

反射率是指单位时间内从界面单位面积上反射光的强度与入射光的强度之比。宝石对光线的反射程度取决于该宝石的分子结构和成分，还取决于宝石表面的抛光程度。

反射仪是根据宝石的反射率性质设计的一种仪器，它可以测量从宝石表面返回的光量。宝石的反射率与折射率之间存在准线性关系，即：

反射率＝反射光线的强度/入射光线的强度＝（n1-n2）2/（n1+n2）2

式中：n1——宝石的折射率；

n2——周围介质的折射率，空气的折射率为1。

根据各种宝石的折射率，可以依上式计算出各种宝石的反射率。由于宝石的折射率有一定的变化范围，因此宝石的反射率也存在一定变化范围（见表2-1-5）。

表2-1-5 常见宝石的折射率与反射率（R）

（二）反射仪的结构和使用

LC特朗姆帕（Trumper）于1959年设计出了世界上第一台测定宝石反射率的仪器。目前采用电子反射仪，利用远红外线发光二极管作为入射光源，用袖珍的光电管检测从宝石表面反射的光量，从而达到鉴定宝石品种的作用。

反射仪的右上角（或下半部）有一个圆形测光孔，孔内构造如图2-1-61所示。内部有一个发光二极管和一个光电接收器。测试时，将宝石抛光良好的台面对准测光孔，盖好遮光罩，打开开关。仪器通电后二极管发出一束波长930nm的红外光，以大致7°～10°的入射角射到宝石台面上，经台面反射后，射入光电管的接收器。接收器的光电管产生光电流，所产生的电流大小与从宝石台面反射回的光的强度成正比。光电流传到反射仪的仪表显示器中，通过指针偏转所指的刻度，即可知道所测宝石的品种。

图2-1-61 反射仪原理图

反射仪显示器上的刻度，分为高、低两档。低档反射率范围是278%～8%；高档反射率范围是8%以上。两档在测定时可由按钮变换。只有宝石的折射率大于180，即反射率高于8%时，才适用于反射仪。

（三）使用反射仪的注意事项

目前，大多型号的反射仪已把反射率转换成了折射率，但其测量精度不如常规折射仪，只能达到±005。使用反射仪应注意以下事项：

1）对于折射率低于180的宝石，不宜使用反射仪，尽量用折射仪来测定。

2）所测样品必须具有抛光良好的平面且大于测试孔，否则接收不到仪器信号或导致读数过低。

3）样品内部的包体的反光可导致读数出现偏差。

4）每个样品从多个方向测量，以保证结论的准确性。

5）样品表面要求洁净无污物，否则影响光的反射，导致结论错误。

6）可以将热导仪和反射仪结合使用。

另外，应特别注意合成碳硅石在空气或氧气中经高温处理后，表面可形成一层的二氧化硅薄膜，降低了合成碳硅石的反射率，使其在反射仪上的读数与钻石相似。

兄弟们，我并不是瞎说，请看我的依据。

恒星的主要成份是氢和氦，而钻石的主要成份则是碳元素，但恒星在一定条件下可以通过核聚变产生碳和其它元素，进而在宇宙中形成天然的钻石。

　　新浪科技讯 北京时间11月19日消息，据国外媒体报道，闪烁的恒星常常被人们喻为钻石，明亮而熠熠生辉。恒星的成份中绝大部分是氢和氦，以及其它少量元素；而钻石则是由碳组成的。不过，天空中的确存在着真正的钻石，它们来源于使恒星发光的炽热熔炉。

　　当恒星将一些较轻元素熔化时，就会释放出能量，并通过核聚变产生碳和其它元素。最后，当恒星死亡时，这些元素就会部份被释放到星际介质中。天文学家们在整个星际介质中会发现许多碳化合物，包括由高密度压缩的碳形成的钻石。如何得知天空中有钻石存在呢？我们可以通过比较天体光谱和实验室光谱，以及发射和吸收光谱的计算模型，发现天空中的钻石。

　　星际微钻石存在于流星中，被称为碳质球粒陨石。这些钻石是“钻石星尘”，而不是结婚戒指上优雅的宝石。我们可以通过光谱分析，观察这种钻石的近红外特性，进而探测了解它们的特征。可以看到，碳原子在碳键拉伸、扭曲和伸缩时，会发射或吸收红外能量。宇宙中只有很少一些天体，如HD 97048和Elias 1，在34 – 35 μm的发射区域中表现出分光特点，这个区域被划归为微钻石区，如右图中a)和b)所示。而大多数天体，如浓厚的云，则表现出在347 μm附近达到峰值，并与3μm H2O冰带的长波长叠加的星际吸收谱带(如右图中c)中红色部分所示)。这种特性属于类似钻石的碳的第三级碳氢拉伸。

白矮星BPM 37093的核心就是颗“宇宙大钻石”

恒星可通过核聚变产生天然钻石

　　跟踪星际微钻石之所以困难，就在于我们对它们的红外和电子属性知之甚少。而理论计算有助我们了解钻石状物质对星际介质的化学和物理性质的影响。

　　在化学性上，钻石结合极为紧密，因而要发射一个典型的光谱需要相当大的能量。我们可以利用建模来了解大能量恒星中发生的变化。根据计算的分光属性来看，如果天体环境中存在钻石状物体，则多数都以中性形式存在。在低吸收力(f值)与高激发能(近似于电离能)的共同作用下，中性钻石状物质会被充分激发，在天体环境中猛地发射出红外线。因此，如果钻石状物质在星际介质中含量丰富，那么它们的分光属性就趋向于支持其在3 μm区域中通过吸收而非发射被探测到。如图所示，中性钻石状物质在347 μm附近的吸收力最强。两个中性钻石状物质的计算红外光谱(c中所示的绿色和蓝色峰值)均位于347 μm区域的中心，并与浓云的星际吸收谱带在一条直线上。结果证明，星际347 μm吸收谱带属于中性钻石状物质。运用钻石状物质的计算吸收/发射谱带，我们可以对天文观测进行解释。

　　在天体环境中，中性和电离钻石状物质可能被充分激发，猛地发射出红外线。然而，二者的低吸收力均有力地局限了天体环境。当钻石状物质被高强度振动激发后，会发射出清晰的红外荧光，这种放射需要具备高能量和强力流的放射区。对于比c)中所示物质还大的钻石状物质而言，碳氢伸缩振动谱带会变得与HD 97048和Elias 1的发射谱带一致。然而，一旦放射区能量足够激发中性钻石状物质，就会同时产生电离钻石状物质。如d) -f)所示，小阳性钻石状物质的计算红外光谱与HD 97048和Elias 1的部分发射光谱在一条直线上。这表明罕见的35 μm星际介质发射特性极可能属于励磁恒星，并有力地证明了HD 97048和Elias 1属于钻石状物质。我们还证实，中性与阳性钻石状物质会影响观测到的发射特性。

　　天空中的确有许多钻石，它们会在被闪耀的恒星激发后暴露身份。迄今为止，一颗名为“BPM 37093”的星球是宇宙中最大天然钻石，它的直径达4000公里，重量相当于10的34次方克拉。“BPM 37093”位于半人马座，距离地球约50光年，它是一颗白矮星，小型恒星走到演化末期的产物，其核心是密度极高的结晶碳(即钻石)，外部覆盖一层氢气与氦气。40年来，天文学家一直认为白矮星随着温度降低，其核心会结晶化，但确实证据始终难以观测。科学家们则是从白矮星的“BPM 37093”脉动振荡着手，推算出它的核心确已结晶。50亿年之后，太阳也许会同样蜕变成一颗白矮星，再假以时日，太阳系的将会出现一颗超级大钻石。(刘妍)

　　科学家发现富贵恒星 周围可能形成钻石行星

本项目在辽宁、山东、湖南各发现一颗IaB+IaAB混合型钻石。三件样品在DiamondView下观察到的荧光图像具有相似的生长结构特征（图518，图版Ⅴ），并可划分为早期成核与生长、后期生长两个阶段。样品的B中心转化率由中心到边缘逐渐降低（如图519）。

图518 IaB+IaAB 混合型钻石在DiamondView下的荧光图像

Figure 518 DiamondView fluorescence image of IaB+IaAB mixed type diamond

图519 LN-50-247 红外光谱及B中心转化率变化

（采样点如图518）

Figure 519 Infrared spectra of sample LN-50-247 and the change of B center conversion rate

（sampling points shown in Figure 518）

中央区域结构均匀，颜色相对均一，为早期成核与生长阶段，外围呈深蓝色荧光，中央呈强蓝白色荧光。亮蓝色到深蓝色荧光被认为与N3中心有关（Field，1992）。强蓝白色荧光可能是该处N3中心含量较高所致。样品在这一阶段生长环带不明显，氮含量相对较低。表明样品成核阶段可能处于相对封闭的环境之中，且熔/流体的粘性、碳过饱和度等相对适中，结晶环境较为平衡。

样品的后期生长阶段，LN-50-247在DiamondView下表现为明显的同心圈层结构，与陈美华等（2000；2006）在山东、辽宁金刚石中发现的“似玛瑙状”环带结构相似，该结构的金刚石被认为结晶于粘性大、碳过饱和且远离平衡的特定生长环境中，由早期多生长中心相邻或聚集形成复杂的结晶中心，金刚石在高温下的塑性变形、生长过程中的生长停顿与熔/流体的熔蚀作用均可导致该类结构的形成。后续的结晶过程在混合生长机制（螺旋位错生长+层状生长）、局部不均匀熔蚀或变化的结晶条件等因素共同作用下，沿早期不规则种晶形态生长成近同心的圈层结构。但LN-50-247在早期生长阶段并未形成多个生长中心，而后期生长阶段则是按混合生长机制结晶，各圈层界限清晰，荧光颜色不均，表明样品周围环境的周期性变化及生长过程中熔流体的存在和参与。SD-701-013和22-HN的后期生长阶段呈“开放”的八面体环带生长结构，这种结构可能是由于围绕晶体角顶及边部的层生长不完善引起（Frank et al，1994；Felix et al，2004）。各环带间界限明显，边界基本平直，宽窄不一，荧光颜色有差异。

IaB+IaAB混合型金刚石的氮、氢元素及类型分布如图520（图版Ⅴ），其中IaB型金刚石的红外光谱缺失1282cm-1的吸收峰，该峰是由双原子氮引起。选择基线范围1233-1～1390cm-1，得到双原子氮的相对浓度分布。

图520 LN-50-247杂质浓度分布图

Figure 520 Impurity concentration of sample LN-50-247

从图520中双原子氮浓度分布可以发现，样品中央的蓝色区域为IaB型金刚石，基本无1282cm-1吸收峰，即无双原子氮存在，该区域与DiamondView图像显示的样品早期成核与生长阶段较为吻合。外围区域为IaAB型，即图中绿色至红色区域。红外光谱测试发现，样品由中心至边缘氮、氢浓度的变化与DiamondView观察到的生长结构相对应。DiamondView荧光图像显示的生长结构特征能够与显微红外光谱分析获得的结果相互验证。分析样品氮、氢含量的规律及变化趋势，表明样品不同阶段生长环境变化大，且出现明显的生长停顿。