孟慶夷

大連市產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)研究院

X熒光光譜儀在珠寶玉石檢測(cè)中的應(yīng)用

孟慶夷

大連市產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)研究院

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上的珠寶玉石品種和樣式越來越多。寶石的優(yōu)化處理、合成技術(shù)的進(jìn)步，使得寶石的鑒定難度也越來越大，傳統(tǒng)常規(guī)的鑒定工具已難以解決問題。因?yàn)橛行┎煌N類的寶石其光學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)非常相似，通過測(cè)定寶石的光學(xué)性質(zhì)及其他物理性質(zhì)來進(jìn)行辨別并不非常準(zhǔn)確。為了攻破這些鑒定難題，一些現(xiàn)代化的先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)被引入到珠寶鑒定領(lǐng)域來，X射線熒光光譜技術(shù)在寶石鑒定中的應(yīng)用隨之產(chǎn)生，這大大豐富了珠寶玉石的檢測(cè)方法，也提高了我國(guó)珠寶玉石鑒定的技術(shù)水平。

紅外光譜技術(shù)；珠寶玉石；鑒定

X射線熒光光譜技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于對(duì)樣品的主要成分進(jìn)行無(wú)損定量和定性分析，多用于貴金屬飾品的檢測(cè)，但隨著X射線熒光技術(shù)的不斷發(fā)展，其在珠寶玉石檢測(cè)領(lǐng)域作為輔助手段，發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 原理與思路

X射線是一種電磁輻射，其波長(zhǎng)介于紫外線和射線之間。它的波長(zhǎng)沒有一個(gè)嚴(yán)格的界限，一般來說是指波長(zhǎng)為的電磁輻射。當(dāng)能量高于原子內(nèi)層電子結(jié)合能的高能射線與原子發(fā)生碰撞時(shí)，驅(qū)逐一個(gè)內(nèi)層電子而出現(xiàn)一個(gè)空穴，使整個(gè)原子體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，然后自發(fā)地由能量高的狀態(tài)躍遷到能量低的狀態(tài)。這個(gè)過程稱為馳豫過程。當(dāng)較外層的電子躍遷到空穴時(shí)，所逐出的次級(jí)光電子稱為俄歇電子。它的能量是特征的，與入射輻射的能量無(wú)關(guān)。當(dāng)較外層的電子躍入內(nèi)層空穴所釋放的能量不在原子內(nèi)被吸收，而是以輻射形式放出，便產(chǎn)生X射線熒光，其能量等于兩能級(jí)之間的能量差。因此，X射線熒光的能量或波長(zhǎng)是特征性的，與元素有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。此時(shí)我們用能量或波長(zhǎng)探測(cè)器接受物質(zhì)的X熒光，即可得知物質(zhì)的組成元素，若能量可計(jì)數(shù)，我們更可以對(duì)其相對(duì)定量。

2 X射線熒光光譜技術(shù)的應(yīng)用

2.1 相似寶玉石的鑒別

鑒于X射線熒光光譜技術(shù)在貴金屬飾品無(wú)損檢測(cè)方面的高效性，采用該技術(shù)對(duì)珠寶玉石的元素組成進(jìn)行鑒定，對(duì)于輔助判斷分析是行之有效的。當(dāng)前，寶石原料種類達(dá)到兩百多種，甚中存在很多性質(zhì)相似的種類，應(yīng)用傳統(tǒng)的檢測(cè)工具要嚴(yán)格區(qū)分存在一定的困難。如區(qū)分無(wú)色水晶和無(wú)色長(zhǎng)石時(shí)，兩個(gè)品種都是無(wú)色透明的，并且存在相似的折射率值和密度。應(yīng)用X射線熒光技術(shù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，水晶的主要成分為二氧化硅，在X射線熒光光譜中表現(xiàn)為硅元素；長(zhǎng)石的主要成分為鈉、鈣、鉀和鋁硅酸鹽等，在X射線熒光光譜中表現(xiàn)為鈣、鉀、硅元素，則根據(jù)X射線熒光光譜圖，能實(shí)現(xiàn)對(duì)二者的輕松區(qū)分。同樣，采用該技術(shù)可以鑒別紫晶和紫色方柱石、矽線石貓眼和輝石貓眼等一些類型相似的寶石。

2.2 優(yōu)化處理寶玉石的鑒別

X射線熒光光譜技術(shù)也能分析優(yōu)化處理后的寶石，檢測(cè)分析天然寶石和人工合成品、仿制品。如紅寶石制作過程中有一種鉛玻璃充填的處理方法，通過鉛元素的加入量來改變玻璃的折射率，使其折射率提高，從而達(dá)到與紅寶石相似的折射率。一般通過放大觀察紅寶石的表面很難觀察到裂隙的存在，通過X射線熒光光譜儀可以發(fā)現(xiàn)，紅寶石只含有鐵、鉻等元素的峰，若經(jīng)過充填處理的紅寶石則有很明顯的鉛元素峰出現(xiàn)，從而鑒別出是天然的還是充填處理過的紅寶石。同樣，利用X射線熒光光譜儀可以輔助分析、鑒別合成祖母綠、合成翡翠以及一些珊瑚、珍珠等。

2.3 類質(zhì)同象寶玉石的研究

類質(zhì)同象是指晶體結(jié)構(gòu)中的某些離子、原子或分子的位置一部分被性質(zhì)相近的其他離子、原子或分子所占有，但是晶體的結(jié)構(gòu)類型、化學(xué)鍵類型等保持不變或基本不變，僅晶胞參數(shù)和折射率、密度等物理性質(zhì)隨置換數(shù)量的改變而作線性變化的現(xiàn)象。類質(zhì)同象對(duì)于寶玉石具有重要的意義，如研究確定類質(zhì)同象系列中寶石種的名稱，典型的有石榴石類的鐵鋁-鎂鋁榴石系列、方柱石類的鈉柱石-鈣柱石系列、長(zhǎng)石類的鈉鈣長(zhǎng)石系列和鉀鈉長(zhǎng)石系列，使用紅外光譜儀可進(jìn)一步來準(zhǔn)確確定各系列的寶石種名稱。

3 HXRFS的輻射比較

隨著時(shí)間的推移，人們逐漸淡忘了美國(guó)三里島、前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故。然而2011年的日本福島核事故，讓人們?cè)俅慰嚲o了核輻射這根弦。2016年在美國(guó)華盛頓舉行的第四屆核安全峰會(huì)引起廣泛關(guān)注。其實(shí)，人類賴以生存的自然環(huán)境中，輻射無(wú)處不在，有的來自宇宙射線、有的來自地球的天然放射性物質(zhì)等。這些自然界中原本就存在的輻射，稱之為“天然輻射”或“本底輻射”，全球本底輻射平均為2.4mSv/a，少數(shù)地區(qū)高達(dá)13mSv/a，但看不見、摸不著，也感受不到，因此，人們并未在意。輻射與人們的日常生活也日益密切，如食物輻照、安全檢查、診斷檢查等。盡管CT檢查時(shí)X射線直接照射人體，一次胸部CT的輻射劑量約為5～8mSv，腰椎間盤CT軸位掃描每個(gè)系列的容積劑量指數(shù)（CTDIvol）約為23.8mGy，但這不僅沒有引發(fā)人們的擔(dān)憂或恐懼，反而樂于接受它。CT與HXRFS的X射線管的典型工作參數(shù)分別為120kV、180mA和40kV、10A，根據(jù)關(guān)系式，靶材相同時(shí)，CT的X射線總強(qiáng)度是HXRFS的162000倍，且短波限更小，因此，HXRFS的生物效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CT。實(shí)踐中，HXRFS檢測(cè)金屬材料時(shí)，對(duì)人體產(chǎn)生的額外年累積有效輻射劑量低于本底輻射，其X射線管和正常運(yùn)行操作均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的豁免要求，但還是要認(rèn)真對(duì)待這個(gè)輻射危險(xiǎn)足夠低的輻射源，仍需科學(xué)組織、實(shí)施檢測(cè)，使操作者受照劑量保持在“可合理達(dá)到的盡量低水平”，同時(shí)盡量縮短連續(xù)作業(yè)時(shí)間，以利于人體自我修復(fù)，將輻射危害減至最小。當(dāng)然，操作者也可以佩帶個(gè)人劑量計(jì)，監(jiān)測(cè)使用過程中實(shí)際的受照劑量。

X射線熒光光譜技術(shù)在寶石檢測(cè)中的應(yīng)用還在不斷發(fā)展、完善，未來該檢測(cè)技術(shù)將能更好地解決寶石檢測(cè)中的難點(diǎn)和疑點(diǎn)問題，使寶石鑒定更準(zhǔn)確、高效、快捷。

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