DE4406768A1

DE4406768A1 - Verfahren und Einrichtung zur Identifizierung von Natur- und synthetischen Edelsteinen

Info

Publication number: DE4406768A1
Application number: DE19944406768
Authority: DE
Inventors: Denisov Igor Gennadievic; Bachtin Anatoli Iosifovic; Kal Chev Vitali Pavlovic
Original assignee: MNOGOTRASSLEVOE N PROIZV OB ED
Current assignee: MNOGOTRASSLEVOE N PROIZV OB ED
Priority date: 1994-03-02
Filing date: 1994-03-02
Publication date: 1995-09-07

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die entsprechende Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Identifizierung von Natur- und synthetischen Edelsteinen insbesondere von Rubinen durch Anwendung der optischen Spektroskopie.

Stand der Technik

Für eine zuverlässige Identifizierung von Rubinen und die Zuordnung der Herkunft der Steine ist es zur Zeit notwendig, eine umfassende Analyse der physikalischen Eigenschaften der Steine durchzuführen. Hierzu werden physikalische Methoden, wie z. B. Röntgenstrukturanalysen, die Radiospektroskopie, die optische Spektroskopie, die Kristalloptik und andere Methoden ausgenutzt. So wird z. B. bei der traditionellen petrographischen Analyse der Kennwert der Brechung, die Doppelbrechungsgröße, das Achsensystem, die optischen Zeichen u. a. bestimmt. Hierzu werden außerdem noch die Ungleichmäßigkeit der Farbe und Gas-, Flüssigkeits- und Mineraleinschlüsse beschrieben.

Kritik des Standes der Technik

Die z. B. bei Anderson "Gem Testing" beschriebene Analyse benutzt die oben beschriebene Identifizierungsweise. Die Möglichkeit zur Durchführung einer solchen komplexen Analyse bestehen nur in besonderen Labors und Instituten. Die Durchführung einer vollständigen Analyse erfordert einen großen Zeit- und Kostenaufwand. Die petrographische Analyse hängt außerdem noch von der Qualifikation und Erfahrung des entsprechenden Fachpersonals ab und läßt sich im vollen Umfang schwer bei geschliffenen Steinen anwenden.

Problem

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Schnellverfahren zur Rubinidentifizierung und eine Klärung des Ursprungs des Steines zu beschreiben und im weiteren eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen.

Erzielbare Vorteile

Das vorgeschlagene Verfahren zur Identifizierung von Rubinen unterscheidet sich von bekannten Verfahren durch einen wesentlich geringeren Zeitaufwand für die Analyse, eine höhere Objektivität und einen geringeren Geräteaufwand und kann z. B. bei Benutzung der erfindungsgemäßen Einrichtung auch durch Nichtfachleute, wie z. B. Zollpersonal, Polizei usw. erfolgen.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird in Anspruch 2 beschrieben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 3 beschrieben.

Beschreibung des Verfahrens und eines Ausführungsbeispieles der dazugehörigen Einrichtung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung und der bei den Analysen verwendeten Elektronenspektren ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die experimentellen (. . .) und die gerechneten (---) Spektren der synthetischen Rubine (a) und der Naturrubine (b) und

Fig. 2 die Verkettung der Geräteeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt die Bestimmung der Rubinfarbe durch elektronische d-d-Übergänge in den Ionen Cr³⁺, die in oktaedrischen Positionen isomorph die Ionen A1 im Korund ersetzen. Diese Übergänge rufen im sichtbaren Spektralbereich die Entstehung von zwei asymmetrisch breiten U- und Y-Absorptionsstreifen und eine Reihe schmaler R-, R¹- und B- Linien hervor. Die Form der Streifen hängt von den realen chemischen Bestandteilen der Kristalle und von deren Wachstumsbedingungen (Temperatur, Geschwindigkeit, Druck, chemische Bestandteile, kristallbildendes Medium) ab. Die Streifenstellung der Absorption ist durch folgende Übergänge bedingt:

U - ⁴A₂_g → ⁴T₂_g (⁴F)

Y - ⁴A₂_g → ⁴T₁_g (⁴F)

Die schmalen R-, R′- und B-Linien sind durch die Interkombinationsübergänge bedingt:

R - ⁴A₂ → ²E₂ (²G)

R′ - ⁴A₂ → ²T₁_g (²G)

B - ⁴A₂ → ²T₂_g (²G)

Die Wirkung des Trigonalfeldes (die Punktsymmetrie der Stellung Cr³⁺-C₃) führt zur Spaltung jedes Elektronentriplets (^jT_i) zu Duplets (^jE_i) und Singlets (^jA_i). Deshalb stellen jeder Streifen und auch die R′- und B-Linien eine Superstellung von zwei Linien dar.

Die Stellung der R-, R′- und B-Linien hängt von der kristallinen Struktur und von der Genesis des Kristalls ab. Von dem zu untersuchenden Rubin wird das Elektronenspektrum der optischen Absorption im Bereich von 390-700 nm aufgezeichnet. Die Aufzeichnung des Absorptionsspektrums erfolgt durch ein Photonenzählverfahren.

Für die Durchführung des Verfahrens wurde folgende erfindungsgemäße Einrichtung mit kleinen Abmessungen entwickelt, die aus folgenden Teilgeräten besteht:

1. Strahlenquelle,
2. Monochromator,
3. Mikroskop,
4. Registriervorrichtung,
5. Steuerblock,
6. Computer.

Die Teilgeräte der Einrichtung haben die Aufgabe und sind miteinander verbunden, wie folgend beschrieben. Unter Verwendung einer Strahlenquelle 1 sowie eines Monochromators 2 wird ein elektronen-optisches Absorptionsspektrum des zu untersuchenden Musters erzeugt. Mit Hilfe eines Mikroskopes 3 wird der Photonenstrom in einer speziellen Registriervorrichtung 4 quantitativ ausgewertet. Es werden Wellenlängen und keine energetischen Größen gemessen. Als weiteren Schritt werden die Identitätswerte des zu untersuchenden Musters auf der Grundlage der algebraischen Kombination der Spektrallinien mit einem Computer 6 und der speziell dazu entwickelten Software errechnet. Als mathematische Grundlage wird dazu die Gaußsche Form der Linien im Absorptionsspektrum verwendet. Ein Steuerblock 5, der mit dem Computer 6 zusammenarbeitet, übernimmt die Steuerung der Teilgeräte Strahlenquelle 1, des Monochromators 2 und der Registriervorrichtung 4. Zum Abschluß erfolgt der Vergleich zwischen den gewonnenen Identitätsgrößen und bekannten Werten z. B. natürlicher und künstlicher Rubine auf maximale Übereinstimmung.

Das mit Hilfe der Einrichtung gewonnene Spektrum wird durch die Superstellung von Linien in Gaußscher Form normiert und interpretiert

wo D_o - eine Grundtonlinie, A_i, λ_i, σ_i - entsprechend die Intensität, die Stellung, die Halbbreite der i-Linie, n-Anzahl der Linien sind.

Die Wahl der Gaußformlinie ist durch die statistische Verteilung der Ionen Cr³⁺ in der Matrize des Korund bedingt.

Die Parameterberechnung der Linien wird nach der Methode der kleinsten Quadrate ausgeführt, d. h. durch Suche des Minimums des Funktionals

Die Größe X₂ und die Parameter der Linien, die im Ergebnis der Berechnungen erhalten wurden, werden als Argumente für das selbstlernende Expertensystem der Rubinidentifizierung verwendet.

Zu den Verfahrensschritten, die nachfolgend beschrieben werden, gehört auch eine Berechnung. Die errechneten Parameter der Spektrumslinien zeigt die Tabelle. Die Stellungen der R-, R′- und B-Linien sind für synthetische und Natursteine gleich. Diese Größen sind ausschließlich für Rubine charakteristisch. Der Unterschied in der Linienstellung für die U- und Y-Streifen übertrifft unterdessen die Messungs- und Rechnungsfehler wesentlich. Bedeutende Unterschiede haben auch die Doublettenspaltungen (λ₁-λ₂, λ₃-λ₄), die Massenzentren der Streifen

< λ^Y = (S₁λ₁+S₂λ₂)/(S₁+S₂), λ^U = (S₃λ₃+S₄λ₄)/(S₃+S₄) <,

das Verhältnis der Streifenflächen (S^Y/S^U, wo S^Y = S₁+S₂, S^U = S₃+S₄) und die Größe X₂. Nach diesen Parametern unterscheiden sich die zu untersuchenden Mustersteine in eindeutiger Weise.

Die nachfolgende Tabelle enthält die Parameter der Spektrumslinien für synthetische und Naturrubine.

Weitere Verfahrensschritte sind:

- das Aufschreiben elektronischer, optischer Absorptionsspektren des zu untersuchenden Musters im Spektralbereich von 390 bis 700 nm im Regime der Photonenzählung,
- die Darstellung des normierten Absorptionsspektrums auf einer Gaußformlinie,
- die Berechnung der Parameter der Linien mit der Methode der kleinsten Quadrate,
- die Aufnahme der errechneten Parameter in ein selbstlernendes Expertensystem der Identifizierung von Rubinen.

Claims

1. Verfahren zur Identifizierung von Natur- und synthetischen Edelsteinen insbesondere von Rubinen auf der Basis der optischen Spektroskopie, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Bestrahlung des zu untersuchenden Edelsteines durch eine Strahlenquelle (1),
- Bestimmung der Rubinfarbe durch elektronische d-d-Übergänge in den Ionen Cr³⁺, die in oktaedrischen Positionen isomorph die Ionen Al im Korund ersetzen und das Aufschreiben elektronischer, optischer Absorptionsspektren des zu untersuchenden Musters vorzugsweise im Spektralbereich von 390 bis 700 nm im Regime der Photonenzählung,
- Berechnung der Parameter der Elektronenspektrumslinien einschließlich der U- und Y-Streifen,
- Darstellung des normierten Absorptionsspektrums auf einer Gaußformlinie,
- Berechnung der Parameter der Linien mit der Methode der kleinsten Quadrate
- Aufnahme der errechneten Parameter in ein selbstlernendes Expertensystem der Identifizierung von Edelsteinen insbesondere von Rubinen.

2. Einrichtung durch Durchführung eines Verfahrens zur Identifizierung von Natur- und synthetischen Edelsteinen insbesondere von Rubinen auf der Basis der optischen Spektroskopie, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlenquelle (1) und ein Monochromator (2) zur Erzeugung eines elektronen-optischen Absorptionsspektrums zusammenarbeitet; ein Mikroskop (3) und eine Registriervorrichtung (4) zur Auswertung des Photonenstromes angeordnet ist; ein Steuerblock (5) zur Steuerung der Strahlenquelle (1), des Monochromators (2) und der Registriervorrichtung (4) vorgesehen ist und ein Computer (6) mit entsprechender Software mit dem Steuerblock (5) zusammenarbeitet.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlenquelle (1) ein Laser verwendet wird.