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, 从而形成辐照损伤色心。其基本原理是利用辐射源的带电粒子(加速电子、质子)、中子或射线与宝石中离子、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。辐照钻石产生色心的过程较为复杂, 往往是多种色心的搭配。辐照产生的色心, 主要有以下两种类型:
1. 辐照产生的电荷缺陷色心
钻石的电荷缺陷色心是指晶格点阵上的碳原子仅在带电性质上发生变化而形成的色心, 而该晶格位上的碳原子既不增加也不减少。一般来说, 在钻石晶体受到辐射时, 辐射粒子与晶格位上碳原子的外层电子发生相互作用, 把辐射能量传给了电子, 电子在吸收肯定能量后, 就会克服碳原子的束缚而逃逸出去, 从而形成了电荷缺陷色心。电荷缺陷色心又可分为空穴色心和电子色心。空穴色心是指碳原子外层的一个电子受辐照后从碳原子中逃逸出来, 使这个碳原子出现了一个电子空位和一个未配对的电子。此时的碳原子即为空穴色心。另外, 在钻石晶格中某一碳原子正好有能力俘获了这个逃逸的电子, 此时的碳原子为电子色心。
2. 辐照产生的离子缺陷色心
钻石中离子缺陷是指正常晶格位的碳原子在位置上发生了变化, 形成了离子空位、空位聚集等缺陷。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。
在辐照钻石的过程中, 当辐射粒子进入宝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( 中性的碳空位)。要使钻石形成离子缺陷, 辐照粒子必须给予晶格原子充足的动能, 碳原子才能克服其周围原子形成的势垒, 离开原来的晶格, 进入邻近的填隙位置。
3. 辐照产生色心的逆过程
辐照可以使钻石内部产生各种色心。辐照的过程实际上是钻石中晶格缺陷俘获电子或产生空位的过程。不同类型的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。然而在对钻石的辐照过程中, 由于辐射源类型、能量、作用工夫等不同, 在钻石中形成不同类型的色心搭配, 钻石辐射后的颜色实际上是多种色心的综合表现。加热可以使钻石中的某些能垒低的色心首先消失, 而使另一些色心得到加强, 钻石的颜色也伴着加热温度的不同而变化, 当温度增加到肯定的程度时,最终会使钻石的色心全部消失。在钻石的改善中, 常采用肯定的加热温度来固化钻石的颜色, 消退不稳定色心。因此, 加热是辐照产生色心的逆过程。
钻石中辐射损伤色心的形成及其种类与下列四种因素有关: ①钻石晶格位上原子或离子的电离或激发; ②中子与钻石晶体中原子的相互作用, 导致钻石晶格位上离子的迁移; ③钻石晶格位上出现正、负离子空位或空位聚集; ④滑移线系。现实上, 钻石经辐照后产生的往往是复合色心。
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