第六节 阴极发光仪

从阴极射线管发出具有较高能量的电子束激发宝石矿物的表面，使电能转化为光辐射而产生的发光现象，称之为阴极发光。阴极发光仪作为宝石的一种无损检测方法，近年来在宝石的测试与研究中得到了较广泛的应用。

一、基本原理
固体能带理论认为，宝石矿物的发光通常与其内所含的微量杂质原子(离子)或晶格缺陷有关。这些微量杂质原子(离子)或晶格缺陷在禁带中常形成一些分立(施主)能级。在阴极射线管发出具有较高能量的电子束激发下，其价带电子被激发到导带。此时，在价带中形成空穴(带正电荷)，而导带中形成自由电子，分立能级中常由于微量杂质原子(离子)的替代而局部形成带正电中心(替代原子的价电子比主晶多，靠近导带的底部)，或局部形成带负电中心(替代原子的价电子比主晶少，靠近价带的顶部)。
当价带中的电子受激发跃到导带，在导带中形成自由电子，在价带中形成自由空穴；而施主能级上的电子受激发跃到导带，成为自由电子。在热运动过程中，束缚在施主能级上的电子与价带中的自由空穴相遇而发生电子一空穴复合，能量转变为光子能量而发光，此时的施主能级便成为发光中心。不同种类的宝石矿物或相同种类、不同成因的宝石矿物在电子束激发下会发出不同颜色或不同强度的光。同时，一些与晶体生长环境相关的晶体结构或生长纹也可得以显示。

二、仪器的组成
阴极发光仪主要由真空系统、电子枪、控制系统和样品仓等部分组成，为了观察需要，还需配备体视显微镜(宝石显微镜)和照相系统等辅助设备。

1．真空系统(抽真空)
由旋转机械泵、扩散泵、离子泵、真空阀门和真空检测器组成，功能是为电子系统提供真空条件，以增强束电压和束电流的强度，同时也可防止样品室污染。
2．电子枪
多为冷阴极式电子枪，用于发射直径为2一20mm大小的电子束，然后在1—25kV加速电压作用下可形成100～50001μA的束电流。
3．控制系统
由真空检测、高压调节、电流强度调节、束斑聚焦调节等部分组成。用来控制束电压、电流强度和束斑焦点的大小，其功能是维持整个系统的正常工作状态。
4．样品仓
用于放置样品并可以前后左右调节样品位置。
5．显微镜和照相系统
用于观察现象及自动照相。

三、应用
近几年，阴极发光技术在宝石鉴定和研究领域的用途获得了很大发展。它不但可用来区分天然和合成钻石，还可用以鉴别天然与合成祖母绿、天然翡翠和处理翡翠及合成红、蓝宝石等。
1．区分天然与合成红宝石
在电子束的激发下，焰熔法和晶体提拉法合成红宝石发很强的亮红色光，并显示特征的弧形生长纹结构；水热法(泰罗斯)合成红宝石显示微波纹状生长纹结构；反之，天然红宝石多发中等强度的深红色或紫红色光，并显示六方生长环带或角状生长带。

2．区分天然与合成钻石
阴极发光技术最成功的应用就是能迅速有效地区分天然和合成钻石。由于生长环境的不同，天然钻石和合成钻石在生长结构上存在着显著的差异。通常情况下，首饰用的天然钻石晶体主要为八面体、菱形十二面体单形，合成钻石晶体则为相对复杂的由八面体，立方体、菱形十二面体和四角三八面体等单形组成的聚形。这样在合成钻石晶体中就形成多个生长分区，不同生长区的生长速度不等，且所含的杂质成分如(N)的含量也不尽相同，因而在阴极发光仪下显示与天然钻石截然不同的生长分区结构。
在电子束激发下，天然钻石多发出相对均匀的中强蓝色一灰蓝色光，并显示规则或不规则的生长环带结构；由于合成钻石晶体多以聚形(八面体和立方体)为主，在不同的生长区则发出不同颜色的光，并显示几何对称的生长分区结构。如{100}生长区发黄绿色光，分布于其中四个角顶，呈对称分布，为十字交叉状。籽晶幻影区发黄色光(或弱发光)，位于晶体中心呈正方形。而{111}生长区呈环带分布。

3．区分天然和处理翡翠
根据发光结构的不同，有助于区分天然翡翠和处理翡翠。在电子束的激发下，天然翡翠显粒状变晶发光结构，呈紧密镶嵌，晶粒发育较完整，偶显环带发光结构。部分具碎裂结构的天然翡翠中，其粒间似胶结物质(碎基)的发光强度远大于主晶。反之，充填处理翡翠呈典型的碎粒／充填发光结构，碎粒间隙充填物基本不发光。