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Gerät zur Unterscheidung zwischen natürlichen und künstlichen Edelsteinen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein spektralphotometrisches Gerät zur Unterscheidung
eines natürlichen Edelsteins von einem künstlichen, insbesondere im Fall der Smaragd-Berylle,
das eine Strahlungsquelle mit kontinuierlichem Spektrum, einen Monachromator und
einen Probenträger enthält, Es ist bekannt, aaß infolge der Entwicklungen in letzter
Zeit die Technik der Herstellung von künstlichen Edelsteinen es ermöglicht, verschiedene
synthetische Steine von einer solchen Qualität und Perfektion herzustellen, daß
sie mit den natarlichen Edelsteinen verwechselbar sind.
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Wenn auch der erhebliche Unterschied im wirtschaftlichen Wert zwischen
natirlichen und künstlichen Edelsteinen, der zwischen 1 zu 10 oder sogar 100 schwankt,
deutlich die Notwendigkeit zeigt, auf sichere Weise einen natürlichen von einem
synthetischen Edelstein unterscheiden zu können, so
erlaubt doch
die Tatsache, daß die chemischen und physikalischen Eigenschaften bestimmter Edelsteine,
seien sie nun natürlich oder künstlich, praktisch gleich sind, sowie die Tatsache,
daß man notwendigerweise gezwungen ist, sich auf zerstörungsfreie Untersuchungen
zu beschränken, es nicht, sichere Auswahlkriterien zu bestimmen.
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Aus diesen Gründen sind solche Verfahren nicht anwendbar, die z.B.
mit Dichtevergleichsmessungen oder mit Lichtstrahlbrechungsindices oder sogar mit
Fluoreszenz arbeiten.
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Das einzige verwendbare Verfahren beruht tatsächlich auf der Erkennung
der Einschlüsse im Inneren des Steins unter dem Mikroskop; dieses Verfahren hat
jedoch den Nachteil, daß es sich bei reinen und fastfehlerlosen Steinen als sehr
schwierig anwendbar erweist und vor allem als ausschließlich abhängig von der Erfahrung
und der visuellen Wertung durch einen erfahrenen Spezialisten, die immer subjektiv
sind.
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Infolgedessen sind Irrtümer, die erhebliche finanzielle Schäden verursachen,
immer möglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein spektralphotometrisches
Gerät einfacher und billiger Bauart zu schaffen, das die mit der Verwendung eines
Mikroskops verbundenen Schwierigkeiten beseitigt und das erlaubt, mit sicherer und
absoluter Gewißheit unter Ausschluß jeglicher Subjektivität und in einfacher und
schneller Weise die natürliche oder künstliche Beschaffenheit der Edelsteine zu
bestimmen.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs erwähnten Gerät dadurch
erreicht, daß der Monochromator aus einem ersten flachen Träger, der mit einer Einrichtung
für den Aufbau von Interferenzfiltern versehen und senkrecht zur Achse des Strahlenbündels
beweglich und in eine Stellung einstellbar ist, um auf der Achse des Bündels den
einen der Filter gleichzeitig zu zentrieren, und aus einem zweiten Träger parallel
zum ersten und in bezug auf die Lichtquelle hinter diesem besteht, auf dem drehbar
ein Polarisator angebracht ist, der auf der Achse des Strahlenbündels zentriert
ist; daß der Probenträger aus einer Küvette besteht, die in an sich bekannter Weise
mit parallelen Seiten aus einem für die Strahlung durchlässigen Material hergestellt
ist und eine Flüssigkeit mit hochempfindlichem Lichtstrahl-Brechungsindex enthält,
der im wesentlichen gleich dem des zu prüfenden Edelsteins ist; daß für einen gegebenen
zu prüfenden Edelstein die genannten Interferenzfilter in solcher Anzahl vorhanden
sind, daß mindestens ein Filter durchlässig für einen für den zu prüfenden Edelstein
charakteristischen Strahl ist, dessen Wellenlänge einer starken und schmalen Absorptionsbande
des Absorptionsspektrums eines Moleküls von unterschiedlicher Beschaffenheit gegenüber
den in dem Edelstein vorhandenen entspricht; daß ein Filter durchlässig ist für
eine der Wellenlängen eines Bereichs des genannten Spektrums, der keine Absorption
zeigt; daß die genannte Flüssigkeit in der Küvette für einen Wellenlängenbereich
des Spektrums durchlässig ist, der größer ist als der zwischen den am weitesten
voneinander entfernten der Wellenlängen der Interferenzfilter;
und
daß ein optisches Anzeigegerät hinter der Probenträger-Küvette vorgesehen ist, das
ein dem Absorptionswert in dem Edelstein proportionales elektrisches Signal gibt.
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Das Gerät entsprechend der Erfindung erlaubt so aufgrund seines Aufbaus,
die Unterscheidung zwischen natürlichen und künstlichen Edelsteinen in einfacher
Weise durch wahlweise Absorption durchzuführen und zwar sofort, weil es ermöglicht,
unmittelbar Messungen ausschließlich in einem Bereich des Absorptionsspektrums des
zu prüfenden Edelsteins auszuführen, das Eigenschaften hat, die genau bestimmt und
bekannt sind und vor allem häufig außerdem unterschiedlich für einen natürlichen
und einen künstlichen Edelstein sind.
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Ein solches Gerät vereint die Meßgenauigkeit eines wissenschaftlichen
Instruments mit einer äußerst vereinfachten Handhabung und ermöglicht so eine genaue
Verwendung selbst durch nicht qualifiziertes Personal. Ferner hat ein solches Gerät
dank der Art seiner Beschaffenheit den Vorteil, gleichzeitig das Kriterium maximaler
Kompaktheit und minimalen Gewichts zu erfüllen, wodurch es für den Benutzer ein
leicht transportables Werkzeug darstellt.
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Den Monochromator kann man tatsächlich entsprechend dem geprüften
Edelstein mit Interferenz filtern versehen, die in Beziehung zu einem bestimmten
Bereich des Absorptionsspektrums des geprüften Edelsteins stehen, einem Bereich,
der innerhalb der Absorptionsbanden, die das Spektrum zeigt und die an das Vorhandensein
von MolekAlen unterschiedlicher
Art in dem Edelstein gebunden sind,
d.h.
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von fremden Molekülen(z.B. H20, P04, C02 usw.) die in der Struktur
oder als Unreinheiten vorhanden sind, einem einzigen dieser Moleküle entspricht.
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Genauer gesagt, wählen die Filter des diesen Bereich betreffenden
Monochromators,der einen Teil haben muß, der die Strahlung nicht absorbiert und
mindestens einen charakteristischen starken und schmalen Absorptionsstrahl des fremden
Moleküls - wobei dieser Strahl und ein zweiter, wenn er vorhanden ist, außerdem
mit Vibrationsebenen parallel und/oder senkrecht zur kristallinischen Achse des
Edelsteins polarisiert werden müssen - genau und ausschließlich die Frequenz aus
dem Spektrum aus , die dazu dient, sofort die Beschaffenheit des Edelstein zu bestimmen.
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Bei der besonderen Anwendung der Unterscheidung der Smaragd-Berylle
ist das Gerät entsprechend der Erfindung dadurch ausgezeichnet, daß der Monochromator
drei Interferenzfilter enthält, von denen zwei für die charakteristischen Strahlen
mit einer Wellenlänge von 1,399 um bzw.
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1,895 em durchlässig sind und der dritte für eine Wellenlänge von
l,65»im, wobei die Flüssigkeit in der Küvette in dem gesamten Wellenlängenbereich
zwischen 0,8/um bis 2,2,um durchlässig ist.
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In diesem Fall entsprechen zwei der Filter tatsächlich den Absorptionsbanden,
die, jeweils zentriert auf die charakteristischen Wellenlängen von 1,399rom bzw.
1,895
ebenso wie die Gesamtheit des Spektrums in diesem Bereich
dem Wasser zu verdanken sind, das in dem Kristallgitter des Berylls enthalten ist,
und die außerdem mit Vibrationsebenen parallel oder senkrecht zur kristallinischen
Achse des Berylls polarisiert sind, während der dritte Filter einer gegenüber den
beiden vorgenannten mittleren Wellenlänge in einem Spektralbereich entspricht, der
von der Absorption ausgenommen ist, wobei diese Wellenlänge als Bezugswellenlänge
dient.
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Es ist tatsächlich bekannt, daß in den natürlichen Smaragden ein Teil
der H20-Moleküle, nämlich die, die nahe einem Alkalin-Ion liegen, senkrecht zur
kristallinischen Achse schwingen, während die H20-Moleküle, die sich nicht in dieser
Lage befinden, in Richtung der kristallinischen Achse des Berylls schwingen.
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Dagegen schwingen die H20-Moleküle dieses letzteren Typs in den durch
hydrothermales Verfahren gewonnenen künstlichen Smaragden immer entsprechend der
kristallinischen Achse, während bestimmte Moleküle des anderen Typs immer quergerichtet,
aber mit abweichender Frequenz schwingen.
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Daraus ergibt sich eine leichte Verschiebung des Absorptions-Spektrums,
die es mittels des Geräts entsprechend der Erfindung erlaubt, bei Prüfung des gleichen
Spektrums in polarisiertem Licht in paralleler Richtung, aber senkrecht zur kristallinischen
Achse die Beschaffenheit des Edelstein zu bestimmen, indem festgestellt wird,
daß
das Spektrum aufgrund der senkrechten Schwingung auf den Absorptionsbanden von 1,399/um
und 1,895/zum gar nicht existiert, weil es sich um einen durch hydrothermale Synthese
entstandenen Smaragd handelt.
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Wenn es sich dagegen um einen synthetischen Smaragd vom Typ "Salzschmelze"
(Sels fondus) handelt, ermöglicht es das Gerät, die künstliche Beschaffenheit des
Edelsteins zu bestätigen, weil, da er in wasserfreiem Milieu gefertigt wurde, sein
ihm entsprechendes Spektrum ein Fehlen von Absorption in den oben erwähnten charakteristischen
Banden zeigt, und zwar bei Polarisation in senkrechter wie in waagerechter Richtung,
wobei diese Banden in diesen Smaragd-Beryllen ebenso wie bei nicht polarisiertem
Licht nicht vorhanden sind.
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Bei dem Gerät entsprechend der Erfindung kann der bewegliche Träger
für die Aufnahme der Filter aus einer Scheibe bestehen, die auf einer zur Achse
des Strahlenbündels parallel verlaufenden Rotationsachse angebracht ist.
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Der bewegliche Träger zur Aufnahme der Filter kann aber auch aus einer
rechteckigen Platte bestehen, die auf einer senkrecht zum Strahlenbündel verlaufenden
Gleitschiene angebracht ist.
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Zweckmässig ist der Träger des Polarisators feststehend angeordnet,
doch kann er auch beweglich angeordnet sein und mindestens eine Öffnung enthalten,
die auf der Achse des Strahlenbündels zentriert sein kann.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind anhand eines
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des spektralphotometrischen
Geräts entsprechend der Erfindung; Fig. 2 das Funktionsschema des Geräts entsprechend
der Erfindung; Fig. 3,4 und 5 die Absorptionskurven, die der Durchlässigkeit (%)
als Funktion der jeweiligen Wellenlänge für natürliche Smaragd-Berylle, Smaragd-Berylle
nach hydrothermaler Synthese und nach "Salzschmelze"-Synthese entsprechen.
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In den Fig. 1 und 2 ist der Rahmen des spektralphotometrischen Geräts
mit 1 bezeichnet, auf dem die Lichtquelle mit kontinuierlichem Spektrum 2, die im
Inneren des zylindrischen Körpers 3 liegt, der mittels der kreisförmigen Öffnung
4 das Strahlenbündel begrenzt, der Monochromator 5 und der Probenträger 6 angebracht
sind. Entsprechend der Erfindung enthält der Monochromator einen ersten Träger 7,
der senkrecht zum Strahlenbündel beweglich und so eingerichtet ist, daß er in auswechselbarer
Weise Interferenzfilter 8,9 und 10 aufnehmen kann, sowie einen zweiten Träger 11,
der parallel zum ersten verläuft und auf dem ein Polarisator 12 drehbar angebracht
ist.
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Der bewegliche Träger 7 besteht aus einer Scheibe, die mit Öffnungen
versehen ist, in die die Filter 8,9 und 10 durch nicht in der Zeichnung dargestellte
Befestigungsmittel eingesetzt und in Stellung gebracht werden können. Er ist auf
einer
Achse 13 angebracht, die parallel und versetzt in bezug auf die Achse des Strahlenbündels
verläuft, die ihrerseits von dem prismatischen Block 14 getragen wird.
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Eine mit der Scheibe 7 einstückig verbundene Einfassung 15 ist mit
Einschnitten versehen, die mittels einer Befestigungseinrichtung 16 dazu dienen,
die richtige Stellung der Filter auf der Achse des Strahlenbündels leicht einzustellen.
Diese Einrichtung 16 und die Einfassung 15 ermöglichen auch eine Feineinstellung
mit Hilfe eines Systems mit Mikrometerschraube 16'.
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Der Träger 11 ist auf den Flanschen 17 angebracht und ruht in einer
hierfür vorgesehenen Öffnung. Der Polarisator 12 kann frei um seine eigene Achse
um 900 drehen und ermöglicht mittels Handgriffen 18 und 19, durch einfache Drehung
eine horizontale oder vertikale Vibrationsebene der Strahlung zu erhalten.
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Der Probenträger des Geräts entsprechend der Erfindung besteht aus
einer Küvette 20 aus Quarzglas mit parallelen Seiten. In ihr wird der zu prüfende
Edelstein 21 mit seiner optischen Achse senkrecht zum Strahlenbündel gelagert. Da
die zu prüfenden Edelsteine im allgemeinen in Facetten geschliffene Steine sind,
enthält die Küvette 20 eine Spezialflüssigkeit 22 mit gleichem Lichtstrahlen-Brechungsindex
wie der Edelstein, so daß die eintreffende Strahlung das Ganze wie an Plättchen
mit parallelen Seiten durchquert.
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Hinter der Küvette 20 wird die Strahlung durch ein optisches Anzeigegerät
23 absorbiert, das in eine an einen Meßgalvanometer 25 angeschlossene integrierte
Schaltung 24 eingeschaltet ist und ein Signal abgibt, das proportional dem Absorptionswert
im Edelstein 21 ist. Auf dem Block 14 ist eine Linse 26 angebracht, die durch denjenigen
der Filter des Trägers 7 hindurch, der sich in gleicher Linie mit der Strahlung,
dem Polarisator 12, der Küvette 20 und dem Edelstein 21 befindet, die Ausstrahlung
der Lichtstrahlen auf dem Anzeigegerät 23 konzentriert.
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Bei der besonderen Verwendung des Geräts zur Unterscheidung von Smaragd-Beryllen
wählen die auf dem beweglichen Träger 7 angebrachten Filter 8,9 und 10, aus der
kontinuierlichen Strahlung der Quelle 2, die z.B. aus einer Lampe mit Niedrigspannung
an Unterspannung besteht, drei Wellenlängen aus, von denen zwei genau denjenigen
entsprechen, die von dem Beryll bei 1,399 um bzw. 1,895 po absorbiert werden, und
die dritte als Bezugspunkt in einem Absorptions-Spektralbereich dient, der niemals
eine Absorption zeigt.
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Bei einer Ausbildung des Geräts wurden für die beiden ersten Filter
folgende Eigenschaften gewählt: - Durchmesser: 31 mm - Durchlässigkeit: 30 % - maximale
Durchlässigkeit zentriert auf 1,399/um bzw. 1,895 m - Bandenbreite bei halber Höhe:
150 2 + 10 i - Bandenbreite bei 1/100 Höhe: 450 i + 30 R - Undurchlässigkeit: von
0,5 bis
während für den Filter von 1,65zum, der keine derart strengen
Bedingungen erfüllen muß, folgende Eigenschaften gewählt wurden: - Durchmesser:
31 mm - Bandenbreite bei halber Höhe: 500 i.
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Bei dieser Ausführung war der verwendete Polarisator 12 vom Typ HR
(Polaroid Corp.), das optische Anzeigegerät 23 war eine tichtwiderstandszelle auf
PbS, für Infrarot bis ungefähr 3"um (Ektron-Kodak-Zelle)empfindlich; die integrierte
Schaltung 24 wurde durch zwei 12-Volt-Batterien gespeist, die probetragende Küvette
20 mit den Maßen 15 x 15 mm bei einer Höhe von 50 mm wurde mit Hexachloro-l-3-Butadien
gefüllt, wobei dessen Index mit 1,54 bis ziemlich nahe dem des Berylls war und keine
Absorptionsbande zwischen dem Sichtbaren und 2,20zum zeigte.
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Die optische Gesamtheit von der Quelle 2 bis zum Anzeigegerät 23 war
durchlässig in der ganzen Infrarot-Nähe, d.h.
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von 0,8/um bis zu 2,2im.
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Die ausserordentliche Einfachheit der Anwendung des Geräts entsprechend
der Erfindung sowie die Sicherheit, die es bei der Erkennung der Beschaffenheit
eines Edelsteins im Fall der Art der Smaragd-Berylle verschafft, wird deutlich,
wenn man die Fig 3,4 und 5 betrachtet, die so, wie oben dargelegt, die Absorptionskurven
jeweils für einen natürlichen Beryll, einen durch hydrothermale Synthese gewonnenen
künstlichen Beryll und einen durch "Salzschmelze"-Synthese gewonnenen künstlichen
Beryll zeigen.
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In diesen Diagrammen bezieht sich die in ausgezogenen Linien gezeigte
Kurve auf die bewirkte Messung mit dem Polarisator 12 in vertikaler Schwingungsstellung
(parallel zur kristallinischen Achse), während die Kurve in gestrichelten Linien
sich auf die bewirkte Messung mit dem Polarisator 12 in horizontaler Schwingungsstellung
(senkrecht zur kristallinischen Achse) bezieht.
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Die Erkennung eines Berylls erfordert tatsächlich, nacheinander für
jede von zwei Stellungen des Polarisators 12 die Filter 8,9 und 10 mit der Achse
des Strahlenbündels auszurichten.
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Wenn man für die Filter mit Absorptionsbanden von l,399,um und 1,895/um
den gleichen Absorptionswert bestimmt wie für die beiden Polarisationen, ist der
Beryll, so wie es Fig. 3 zeigt, ein natürlicher Beryll; wenn dagegen die Absorptionswerte
unterschiedlich sind,wie in Fig. 4 gezeigt, handelt es sich um einen künstlichen
Beryll, der darüber hinaus durch hydrothermale Synthese entstanden ist; wenn man
schließlich überhaupt keine Absorption wahrnimmt, wie in Fig. 5, dann handelt es
sich um einen künstlichen Beryll, der nach der "Salzschmelze"-Synthese entstanden
ist.
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Die Erfindung ist mit Bezug auf eine bestimmte Ausführung beschrieben
worden, es ist jedoch klar, daß sie nicht auf diese letztere beschränkt ist und
daß Varianten und Abänderungen. im Rahmen der Erfindung liegen.
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So kann z.B. der bewegliche Träger 7 die Form einer rechteckigen Platte
haben, die auf einer senkrecht zum Strahlenbündel verlaufenden Gleitschiene montiert
ist.
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Ebenso kann der Träger 11 des Polarisators 12, statt fest zu sein,
beweglich sein und mindestens eine Öffnung haben, die den Durchtritt nicht polarisierter
Strahlung erlaubt, und er kann auch die Form einer Scheibe oder auch einer gleitenden
Platte haben.
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Ebenso kann anstelle eines Galvanometers, das bestimmte Berechnungen
zur Absorptionsbestimmung verlangt, ein geeigneter integrierter Schaltkreis den
Schaltkreis 24 ersetzen und statt von einem Galvanometer, von einem Digital-Voltmeter
gefolgt sein, das die unmittelbare Messung der Absorptionswerte ermöglicht, Patentansprüche: