论文部分内容阅读
紫锂辉石（kunzite）属于锂辉石（spodumene）的粉色品种,深受宝石爱好者喜爱。因其在常光下呈粉色,经γ射线、阴极射线等高能源辐照后变成绿色的现象,使之成为物理学者和矿物学者的研究热点。紫锂辉石是有色锂辉石中最具吸引力的种类之一,它的色彩范围从浅粉色到淡紫色,有的颜色很浅,而有些则深到需要在强光照射下才能分辨其真正的色调。大部分紫锂辉石颜色很浅导致珠宝级的紫锂辉石相对稀少;因此,亟需优化处理来增强其色彩。本论文基于紫锂辉石中致色元素种类和其氧化态的理论研究,采用三种不同的优化处理手段来改善浅色紫锂辉石的颜色,从而达到提高其市场价值的应用目的。本文也是首次把X射线吸收近边结构光谱（XANES）分析技术,离子注入和电子辐照结合热处理的处理方法应用于紫锂辉石。论文第一部分确定了阿富汗努里斯坦地区天然紫锂辉石中的主要致色元素及其价态。应用激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）测定紫锂辉石样本中的主量和微量元素含量、紫外可见红外光谱（UV-Vis-NIR）明确其中致色元素,XANES深入分析这些致色元素的具体氧化态。（LA-ICP-MS）和（UV-Vis-NIR）测试结果表明紫锂辉石晶体中含有多种微量元素杂质,其中Fe和Mn是主要的致色元素。XANES分析结果表明过渡元素Mn以混合价态即Mn2+和Mn3+氧化态存在,而Fe仅以Fe3+氧化态存在。在明确致色元素及其氧化态后,采用两种不同的方法进行了紫锂辉石颜色增强,一是离子注入（O-ions和N2-ions）,二是先进行电子辐照处理后,再进行热处理。离子注入实验结果显示:经加速电压80ke V的O离子束处理3小时后的粉色紫锂辉石颜色加深,而经过2小时70 ke V的N2离子注入和后续1小时的100℃加热处理的紫锂辉石从粉红色变为烟粉色,导致其价值下降。综合XANES、紫外可见光和拉曼光谱技术研究紫锂辉石发生颜色变化的原因得出:（1）经过O离子束处理后,Mn仍以混合价态存在,但Mn3+浓度明显增加,同时Fe也以混合价态Fe2+和Fe3+存在。而N2离子束处理后Mn和Fe的氧化态没有发生任何明显的变化。（2）两致色元素在不同处理方法前后价态的变化趋势指示出O离子处理能够增强与Mn3+相关的530 nm吸收峰。（3）在O离子束处理中发生的Mn和Fe价间电荷转移是提高Mn3+离子浓度和形成Fe2+离子的可能途径。（4）O离子处理后紫锂辉石的拉曼峰发生了显着的位移变化,而N2离子处理后没有观察到变化。因此,综合对比发现使用O离子束轰击紫锂辉石是一种很有前途的,可以改善来自阿富汗努里斯坦的紫锂辉石颜色的处理技术。电子辐照结合热处理实验结果表明:（1）紫锂辉石经过15MGy、20MGy和25MGy电子辐照后从粉色变为祖母绿色,而再经2小时250℃热处理后样本颜色恢复到比天然样本更深的粉色。（2）显微镜下检查本实验前后样品的内含物特征未发生变化。（3）未处理样品的UV-Vis-NIR光谱在530nm处显示出与Mn3+相关的非常宽的吸收带。在电子束照射时,该吸收带消失,并在625nm和490nm处出现新的吸收带。热处理辐照样品的紫外光谱显示625nm吸收带完全消失,同时出现520nm和470nm吸收带,但强度比未处理样品的530nm吸收带更大。（4）电子辐照处理后样本中Mn3+浓度增加并出现Fe2+和Fe3+混合态,而未处理时只存在Fe3+。（5）进一步把本文Mn K-edge的XANES数据与Mn O2(Mn4+)标准曲线对比,没有发现任何Mn4+的结果反驳了前人提出的电子辐照后紫锂辉石呈绿色由Mn4+所致的观点,而拉曼分析表明,辐照所致绿色是由高能辐射产生的缺陷造成。综上所述,O离子束处理和电子辐照结合热处理的方式均可改善紫锂辉石的粉色。相比于已报道的电子束、γ射线和X射线辐照处理,将离子注入应用于紫锂辉石更具优势,不仅可以达到与其他方法相当甚至更好的改色效果,且处理过程更快速,所需成本更低。同时,离子注入避免了宝石长时间暴露于辐照射线而导致宝石具有放射性。这也是宝石离子注入近年来受到越来越多的关注和实践的原因之一。