JPH09505663A - 天然ダイヤモンドの合成ダイヤモンドからの弁別 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 測定に長時間要する高価な装置を含まない、合成ダイヤモンドから天然ダイヤモンドを弁別する方法を提供するために、ダイヤモンド（１）は、ほぼその表面領域のみが照射されるように、波長の大部分が２２５ｎｍ以下である紫外線で照射される。ダイヤモンド（１）により生成されるルミネセンスあるいはリン光のパターンを観察することにより、観察者はダイヤモンド（１）が天然か合成かを同定することができる。別の方法では、ダイヤモンドは電子ビーム内に設置され、ダイヤモンドにより生成されるルミネセンスあるいはリン光が観察されて、ダイヤモンド上に合成ダイヤモンドの堆積層が存在するか否かが決定される。 【選択図】図１

Description

【発明の詳細な説明】 天然ダイヤモンドの合成ダイヤモンドからの弁別発明の背景 本発明は、ルミネセンスを観察することにより、例えば、ダイヤモンドの成長 域の配置を調査することにより、天然ダイヤモンドを合成ダイヤモンドから弁別 する方法及び装置に関する。 合成ダイヤモンドは、結晶体中で種々の成長域を有し、混合晶癖成長を示す点 で、天然ダイヤモンドとは異なる。これら種々の成長域はすべて、成長時に不純 物を混入する。しかし、その速度や混入の仕方は異なっているため、各成長域は 異なる分光学的特性を有する。研磨されていない合成ダイヤモンドの表面には、 種々の成長域が存在するため、天然ダイヤモンドの表面とは全く異なった特徴的 な成長面が生成される。かかる成長面は単一晶癖八面体成長を示す傾向がある。 熟練者であれば、この成長面を見るだけで、天然ダイヤモンドから未研磨の合成 ダイヤモンドを識別することができる。しかし、ダイヤモンドが研磨されると、 このような表面情報は全て除去されてしまう。 カソードルミネセンスとして知られる技術はＷｏｏｄｓ ＆ Ｌａｎｇ（Ｊ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、２８巻、１９７５年、２１５頁）、Ｂｕｒｎｓ 他（Ｊ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、１０４巻、１９９０年、２５７頁）、 Ｓｈｉｇｌｅｙ他（Ｇｅｍｓ ａｎｄ Ｇｅｍｏｌｏｇｙ、２３巻、１９８７年 、１８７頁）、及び、Ｍａｒｓｈａｌｌ（”Ｃａｔｈｏｄｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅ ｎｃｅ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉｃａｌ（地質学的材料のカ ソードルミネセンス）”、１９８８年 Ｕｎｗｉｎ Ｈｙｍａｎ発行、１９〜３ ６頁）で開発され、論じられている。かかる技術においては、排気陰極線チャン バ内でダイヤモンドに電子ビームが照射される。典型的な１８ｋｅｖのエネルギ ーを用いた場 合、電子は表面から約３μｍの深さまで浸入して励起を生じさせる。カソードル ミネセンスとして知られるルミネセンスはかかる領域において生成される。そし て、カソードルミネセンスパターンを示す励起状態の表面像が得られる。 Ｐｏｎａｈｌｏ（Ｊ Ｇｅｏｍｏｇｙ、２１巻、１９８８年、１８２頁）は、 カソードルミネセンス技術を用いた合成のエメラルド及びルビーから天然物を弁 別する方法を記述している。 カソードルミネセンス技術は、必要とされる装置の点で大きな欠点を有してい る。宝石は真空チャンバ内に設置されなければならないが、真空チャンバは高価 なうえ、長い測定時間を必要とする。また、電子ビームはＸ線を発生するので、 遮蔽を行わなければならない。更に、陰極線装置自体が高価である。 複雑で高価な装置、すなわち真空チャンバを用いることなく、天然ダイヤモン ドを合成ダイヤモンドから弁別する方法を提供することが望まれる。 Ｓｈｉｇｌｅｙ等は、波長２５４ｎｍの紫外線を用いた、成長域を調査するた めの合成ダイヤモンドの短波長紫外線照射方法を開示している。かかる紫外線照 射は、調査対象であるダイヤモンドの型に特有の不純物エネルギーレベル内への 励起を生成する。上記文献に開示される技術は、２５４ｎｍにおいて強度の外部 吸収を有するダイヤモンドに対してのみ有効である。 すべてのダイヤモンドに対して、単一波長あるいは単一波長帯域で有効な観察 技術を提供できることが望まれる。 Ｗａｌｓｈ等の論文（Ｊｏｕｒｎａｌ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ、４巻、１ ９７１年、３６９頁）は、天然及び合成半導体ダイヤモンドの熱ルミネセンス技 術について述べており、かかる技術をリン光現象と関連付けている。熱ルミネセ ンスとは、例えば７７Ｋのような低温における励起後でのルミネセンスの熱的生 成である。試料は電子ビーム又はアーク灯からの光励起を用いて励起される。 試料温度を上昇させると直ちに、種々の温度での熱ルミネセンスのピークが観 察される。リン光もまた観察される。リン光とは、励起源の除去後、数ミリ秒〜 数十秒、ときには数分を越える刺激ルミネセンスの減衰現象である。 熱ルミネセンス装置は複雑かつ高価であり、合成ダイヤモンドと天然ダイヤモ ンドの弁別には適していない。本発明 本発明は、請求項１、８、１５、又は１６に記載の如く、天然ダイヤモンドを 合成ダイヤモンドから弁別する方法及び装置を提供する。また、請求項２〜７、 及び９〜１４に記載の如く、好ましく、あるいは、選択自由な特徴を有する上述 の方法及び装置を提供する。 本発明によれば、携帯可能で、例えば、小規摸の地質学研究室、宝石卸製造者 、及び大規模宝石商小売団体でも利用できるように廉価かつ小型にし得る装置を 用いて、ほとんど全てのダイヤモンドに対して、それが天然であるか人工である かを決定することができる。 波長２２５ｎｍ未満の紫外線は、外部に漏れた場合、目や皮膚に対して危険で あるが、完全な遮蔽を行うことができる。通常の光学装置は波長２２５ｎｍ未満 の紫外線を減衰・吸収する。このため、紫外線を試料に照射するのにこれらの光 学装置を用いることはできないが、紫外光を大きく減衰させることのない特別な 光学装置を備えることが可能である。 ダイヤモンドは、その表面構造が弁別され得るような波長の紫外線励起状態の 下で、できれば種々のダイヤモンドにより生成される種々のルミネセンス色を補 助的に用いて観察される。ダイヤモンドの固定画像、すなわち、表面トポグラフ が形成され、好ましくは拡大される。しかし、本方法は、好ましくは、ダイヤモ ンドを顕微鏡を通して肉眼で観察することにより実行される。目が低い光度に適 応すれば良好な画像が観察される。 波長２２５ｎｍ未満の紫外放射は、すべての型のダイヤモンドと強く相互作用 してルミネセンスを生ずる。従って、本発明の方法及び装置はいかなる型のダイ ヤモンドに対しても用いることができる。種々の型のダイヤモンド（天然であっ ても、人工であっても）に対して観察されるルミネセンス帯域は、一般にはスペ クトルの可視部の広い波長範囲に分布する。このため、例えば、ダイヤモンドの 成長域の配置を示し、従って、成長域の型を示すパターンを人が同定することが できる。異なる成長型の領域は異なる色のルミネセンスを発光するので、これら を弁別することができる。同型の成長域は同色のルミネセンスを発光するが、そ の強度は異なる。合成ダイヤモンドは一般には２種類以上の型の成長域を示すの で、天然ダイヤモンドを合成ダイヤモンドから弁別することができる。本方法は また、天然ダイヤモンド表面に堆積した合成ダイヤモンドを検出することもでき る。本発明は特に加工ダイヤモンド、すなわち、完全に、又は部分的に研磨され たダイヤモンドの試験に有効である。 成長領域を見ることによって天然ダイヤモンドを合成ダイヤモンドから弁別す ることが困難な場合、特に、単一の成長域しか存在せず、トポグラフィー情報が ほとんど得られない場合には、観察者は色によってダイヤモンドが天然か人工か を同定することができる。 一般的なルミネセンス顕微技術は、ダイヤモンドに紫外光を照射し、ダイヤモ ンド全体が励起された状態で、試料ダイヤモンドの大部分からの刺激ルミネセン スの特徴を顕微鏡で観察する技術である。一般的なルミネセンス顕微技術は、ル ミネセンスの幾何学的形状の調査には適していない。限定された平面に焦点が合 わされたとしても、他のルミネセンスはコントラストを大きく低下させる。ダイ ヤモンド全体の複合画像が生成されても、その画像は解釈が非常に困難なものと なる。しかしながら、このような技術が成功するか否かは、ダイヤモンド材料の 型及び発光の帯域強度に依存し、ダイヤモンドによって変化する。 本発明において、励起放射は結晶の奥深くまで侵入することはなく、実質的に は表面領域のみが侵入・照射される。こうして、ダイヤモンドの表面領域が観察 される。表面領域よりも深い領域から放出されるルミネセンスは、表面領域によ り生成されるルミネセンスを不明瞭にするほど強いものであってはならない。す なわち、ルミネセンスを誘起する照射放射は表面領域で十分に吸収されなければ ならない。 ダイヤモンド内部での紫外線放射の減衰の程度、従って、照射深さは、照射波 長でのダイヤモンドの吸収係数に依存する。減衰は深さに対して逆指数関数的に 変化する。ある型のダイヤモンドでは、２２５ｎｍより長い波長の放射を用いた 場合の吸収は、２２５ｎｍにおけるほど強くはなく、ダイヤモンドの照射深さは はるかに大きくなる。波長が２２５ｎｍより長い場合のダイヤモンドの実際の照 射深さは、外因性欠陥（窒素）に誘起される励起波長での吸収強度に依存する。 かかる吸収強度はダイヤモンドによって大きく変動する。 こうして、誘起ルミネセンスは結晶体全体で生成され（吸収が十分弱い場合に もあてはまる）、表面で生成される画像のコントラストは低下する。 約２２５ｎｍ未満の波長では、ダイヤモンドの吸収係数はいずれの型において も非常に高く、ダイヤモンドの吸収係数は波長が減少するにつれて急激に増加す る。不純物による吸収がない場合、約２２５ｎｍにおける吸収係数は約５０ｃｍ^-1 であり、２２３ｎｍにおいては４００ｃｍ^-1よりも大きい。吸収分光学の限界 は、約２０８ｎｍにおける吸収係数５０００ｃｍ^-1である。約２０８ｎｍ以下で は、吸収係数が大き過ぎて測定することができない。所定の波長において、減衰 深さとは放射が入射強度に対して約１３％に減衰される深さをいう。入射深さは ２／Ａで与えられる。ただし、Ａは所定の波長における吸収係数である。２２５ ｎｍから２０８ｎｍの間で は、減衰深さは４００μｍから４μｍに減衰し、２２３ｎｍでは５０μｍである 。一般に、ダイヤモンドに入射する放射の２２５ｎｍより短い波長のみを透過す る適当なフィルタを用いることにより、すべてのダイヤモンドにおいて、放射の 大部分はダイヤモンドの表面から約５０μｍの中でほぼ吸収される。より詳細に は、２２５ｎｍから１９０ｎｍの範囲の均一な強度分布に対する実効侵入深さは ほぼ５０μｍより小さい。このように、表面領域は約５０μｍの深さを有すると みなすことができる。そして、好ましくは、波長１９０ｎｍ以上の照射紫外線は 、この深さ内で入射光強度（すなわち、波長で積分した値）の約１３％に減衰さ れる。２２３ｎｍ又は２２５ｎｍを越える波長を有する照射の強度が、５０μｍ よりも数倍、例えば、３倍から４倍大きい深さで微小となる場合には、この深さ で十分である。理想的には、照射放射の大部分の波長は２２５ｎｍより僅かに短 い。 より深い領域からの過度のルミネセンスを防止するため、照射光源は高い強度 の可視放射（３８０ｎｍを越える放射）を含むべきではない。可視放射は、ダイ ヤモンド本体内に伝達されてルミネセンスを生ずることがあるからである。更に 、可視励起が存在しないことは、散乱可視励起光による表面領域でのルミネセン スの汚染が生じないことを意味する。理想的には、放射は２２５ｎｍより低い紫 外線放射に制限されるべきである。しかしながら、実際の具体化においては、あ る程度の２２５ｎｍを越える放射は許容される。一般的にいって、２２５ｎｍを 越えて３８０ｎｍ（可視放射の限界）までの照射放射の強度は、好ましくは、２ ２５ｎｍより短い照射紫外線外放射の約５０％以下、又は約２５％以下、又は約 １５％以下、又は約１０％以下、又は約５％以下である。大気中の酸素は約１８ ０ｎｍより短い放射を遮断し、紫外用光学装置は通常、約１８０ｎｍ又は１９０ ｎｍより短い放射を遮断する。従って、２２５ｎｍを越えて３８０ｎｍまでの放 射の、２２５ｎｍより短い紫外線に対す る割合を考慮する際に、例えば１９０ｎｍより低い放射を無視することができる 。 上述の如く照射し、照射を止め、リン発光を観察することのみで、天然ダイヤ モンドをある型の合成ダイヤモンドとは弁別することができる。一般に、単にリ ン光を観察するのみでは、いくつかの異なる型のダイヤモンドを区別することが できない。従って、リン光の観察は、好ましくはルミネセンスを観察する手順に 対する付加的な手順として用いられる。この場合、リン光の観察により付加的な 識別情報を得ることができる。 リン光は合成ダイヤモンドのある成長領域からのみ生成され、最大数分間持続 して観察される。リン光は天然ダイヤモンドでは滅多にみられない現象であり、 そのほとんどは、窒素不純物より大きな密度のボロンを含有するIIｂ型ダイヤモ ンドのみに見られる。かかるダイヤモンドは一般には青色であり、半導体特性を 有している。一方、リン光は、無色あるいはほぼ無色のダイヤモンド、及び、青 色を生成するためにボロンでドープされたダイヤモンドを含めた、窒素濃度が低 い合成ダイヤモンドにおいて一般に見られる現象である。ダイヤモンドは天然で あると同定される（リン光が見られない場合）か、あるいは、更なる試験に委ね られる（リン光が見られる場合）。この方法では天然ダイヤモンドと合成の青色 ダイヤモンドとを区別することはできないが、天然の青色ダイヤモンドは珍しい ので、更なる試験に委ねられる天然ダイヤモンドは極く僅かである。 リン光を観察することは、２つの点で有用である。 ｉ） 成長域の情報が得られない場合には、励起紫外線の除去後、検知可能な時 間だけ発光が持続すれば、ダイヤモンドは合成されたものと推測される。 ｉｉ） ルミネセンス発光の色が類似しているために、成長域を不完全にしか定 義できない場合に、紫外線が除去された際の成長域間のコントラストが強調され る。リン光を生じない成長領域は黒く見 える。本発明の第２の面 本発明の第２の面は、請求項１７〜１９に記載された方法である。 電子ビーム又は高エネルギー紫外線により生成されるルミネセンスを観察する ことにより、ダイヤモンド上に堆積された合成ダイヤモンド層を検出できること がわかった。かかる方法は天然ダイヤモンド上に堆積された合成ダイヤモンドを 検出するのに適しており、加工されたダイヤモンド、特に、完全に研磨されたダ イヤモンドに適している。好ましい高エネルギー放射は、陰極線すなわち電子ビ ームである。装置は高度の遮蔽、及び、真空チャンバを必要とするという短所を 有しているが、本方法によれば、ダイヤモンドにより放出される放射の強度が増 大するという利点が得られる。ダイヤモンドは、同一のタイプのルミネセンスが 電子ビームにより励起された場合、微妙な差異があるものの、パターンの全体的 な外観は等しく、色も等しいという点で、２２５ｎｍ未満の波長の紫外線の下で のルミネセンスに類似したルミネセンスを示す。電子ビームは最大１０ｍｍの直 径にすることができるので、例外的な場合を除いて、ダイヤモンド全体を照射す ることができる。そして、装置を制御して過度の加熱を防止し、ダイヤモンド表 面の浸食や劣化を防止することができる。例えば銅ガラス性の窓や光学装置を用 いるなどにより適当な遮蔽が行われる場合には、一般には、紫外線照射に関連し て上述した如く、ルミネセンスを肉眼で観察することができる。更に、電子ビー ムが遮断された際、リン光を観察することにより識別性を向上し得る場合があり 、また、有用性は低いものの、リン光のみを観察してもよい。 いずれの場合にも、照射強度は観察可能なルミネセンスを得るために十分なも のでなければならない。 本発明は更に実例により、添付の図面を参照して説明される。図面の簡単な説明 図１は本発明に係わる紫外線光ルミネセンス・トポグラフィ装置の構成部品、 及び、可能な変化を示す。 図２は図１の装置の等角投影図を示す。 図３及び図４は本発明に係わる方法及び装置を用いて得られた合成ダイヤモン ドの紫外線光ルミネセンストポグラフの例である。 図３ａ及び図４ａは図３及び図４の主要な特徴を図式的に描いた図である。 図５及び図６は本発明に係わる方法及び装置を用いて得られた天然ダイヤモン ドの紫外光ルミネセンストポグラフの例である。 図５ａ及び図６ａは図５及び図６の主要な特徴を図式的に描いた図である。 図７は表面上に合成ダイヤモンドが堆積された天然ダイヤモンドの主要な特徴 を、図３ａ、図４ａ、図５ａ、及び、図６ａと同様に、図式的に描いた図である 。好ましい実施例 図１及び図２ 図１は本発明に係わる紫外線光トポグラフィ装置の構成を示す。研磨されたダ イヤモンド１及び支持手段２は、装置の他の部分に比して大きな縮尺で示してい る。支持手段２として、ばね式ピンセット、真空ピンセット、あるいは円錐形陥 没など、任意の適当な手段を用いることができる。図示した支持手段２は、単に 一例として示したものであり、ダイヤモンド１を把持するゴムパッドと、ダイヤ モンド１の操作を行う、紫外線遮蔽用ゴム製ベローズ４を有する突き出しハンド ル３とを備えたばね式ピンセットである。ダイヤモンド１のガードルは（図示の 如く）いくつかの視点用に把持され、テーブル及びキューレットは他の視点用に 把持される。 ダイヤモンド１は光源５により発生される短波長（２２５ｎｍ以下）の紫外線 により照射される。水冷式Ｈａｍａｍａｔｓｕ製１５０Ｗジューテリウム光源を 用いることができるが、好ましい光源は１９０ｎｍから１０００ｎｍを越えるす べての波長を含むＵＶリッチなキセノンフラッシュランプである。好ましいキセ ノンランプ照射装置は、キセノンランプとコンデンサとトリガートランスとから なるキセノンランプ部５と、電源部６とから構成される。コンデンサはランプに 並列に接続され、電源部により所定の電圧に充電される。電源部は信号発生器か らの信号に応じてトリガーパルスをトリガートランスに付与する。トリガートラ ンスはランプに接続されており、フラッシュを開始させる。適当な照射装置は、 一体型トリガートランス及びランプベースＦＹＤ５０６Ｌｉｔｅと共に用いられ るＰＳ−４５０型ＡＣ電源と、ＣＰ−１２２９型１μＦ，６００Ｖコンデンサと 、ＦＸ−５０４Ｕ型キセノンフラッシュランプとからなり、これらはすべてＥＧ ＆Ｇ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ（Ｓａｌｅｍ、ＭＡ、ＵＳＡ）により供給 される。ランプは２０Ｗの最大平均動作出力を有し、５０〜２００Ｈｚの周波数 で動作する。周波数を上昇させると実効強度が増加する。信号発生器は任意の適 当なＴＴＬ方形波発生器でよいが、一例として、Ｄｉｇｉｔｒｏｎ Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔｓ社（Ｈｅｒｔｆｏｒｄ，英国）が供給するＬｅｖｅｌｌ関数発生器 ＴＧ３０１型がある。 光源５からの光線は、焦点距離２５ｍｍのグレード水晶レンズ７及び８により 集束される。また、カットオン干渉フィルタが備えられている。フィルタ９は例 えばＯｍｅｇａ２００ｎｍ紫外透過フィルタでもよいが、Ｃｏｒｉｏｎ社（Ｈｏ ｌｌｉｓｔｏｎ）ＭＡ．、ＵＳＡ）の供給する、２０６ｎｍでピークとなる透過 率を有するＧ２５ ２０６Ｆフィルタが好ましい。ランプ５のスペクトル出力を 考慮すると、Ｃｏｒｉｏｎフィルタ９が透過する、２２５ｎｍを越える（３８０ ｎｍまでの）紫外線の強度は、１９０ｎｍから２２５ ｎｍの間の透過紫外線の約４％である。すなわち、透過される紫外線は、そのほ とんどが２２５ｎｍより短い波長である。 操縦可能な紫外グレードミラー１０は、光をダイヤモンド１の表面へ導くため に備えられている。検査中のダイヤモンド表面に生ずる光ルミネセンスのパター ン画像が生成され、拡大手段すなわち顕微鏡１１を用いて検査される。しかし、 カメラすなわちＣＣＤ画像記録機１２（略図で示している）を、後の検査や検査 結果の処理のために備えられてもよい。顕微鏡光学部品のガラスは硬紫外線、例 えば、波長３００ｎｍ〜３３０ｎｍの紫外線をすべて遮断し、いかなる場合でも 顕微鏡１１を透過する紫外線は極めて僅かである。任意の適当な顕微鏡１１を用 いることができるが、拡大装置のついた接眼レンズを有することが好ましい。顕 微鏡１１は高速フィルムに画像を記録するための装置、すなわち、カメラ１２で ある。カラーフィルムを用いることができる。図２は、紫外線を遮蔽するために ケース１３に収納された装置の一例を示す。支持手段２は、適当な遮蔽用ゴムシ ールを備えたスライド式の引出し１４内に収容されている。電源のオン・オフ、 電源周波数、及びミラー操縦の制御装置１５、１６、１７は、略図的に示されて いる。本装置は携帯可能で、かなり小さな空間しか占めないように構成すること ができる。これにより、使い易く携帯可能な、天然ダイヤモンドと合成ダイヤモ ンドの弁別装置を提供することができる。例えば、光源５用の信号発生器及び電 源６は２１５ｍｍ×３１０ｍｍ×１１０ｍｍの空間を占めるに過ぎず、ケース１ ２の長さ、幅、高さを約５００ｍｍ×２５０ｍｍ×２５０ｍｍにすることができ る。しかしながら、ケースの寸法は例えば３００ｍｍ×２００ｍｍ×２００ｍｍ にまで小型化することができる。 研磨されたダイヤモンド１を図１の装置を用いて観察する熟練したオペレータ であれば、合成ダイヤモンドであることを示す混合晶癖成長を示す幾何学的パタ ーンを見出そうとする。 例として、１ｃｔ．（０．２ｇ）の円形ブリリアントカット・ダイヤモンド１ の検査を、ＥＧ＆Ｇキセノンランプ５を周波数２００Ｈｚで用いることにより行 うことができる。肉眼による検査の場合には、信号発生器は検査を完了するのに 十分な長さだけオン状態に保たれる。トポグラフ写真の作成の場合には、信号発 生器は用いられる写真フィルムと絞りに応じて数分間オン状態に保たれる。ＣＣ Ｄ画像記録機１２を用いた記録の場合には数秒間で十分である。 透過フィルタ９及び紫外グレードミラー１０を、１つのダイクロイック石英ガ ラス製操縦可能反射フィルタ２１に置き換えることができる。反射フィルタ２１ はミラー１０と同一の位置に挿入すればよい。フィルタ２１の透過特性によれば 、前面反射率は約２００ｎｍでピークとなる。２２５ｎｍより長い波長では平均 約２％の反射率を有しており、２２５〜３８０ｎｍの範囲での反射放射強度は１ ９０ｎｍ〜２２５ｎｍの反射紫外線強度の約２０％である。従って、ほぼすべて の波長が２２５ｎｍより短い波長帯域をダイヤモンド１に照射することができる 。放出される光ルミネセンスはフィルタ２１によって顕微鏡１１へ伝送される。 フィルタ２１の裏面の可視波長４００〜７００ｎｍに対する反射防止コーティン グにより、かかる伝送強度が増大されている。図３、３ａ、４、４ａ、５、５ａ、６、６ａ、及び、７ 図３、４、５、及び、図６は合成ダイヤモンド及び天然ダイヤモンドの紫外光 ルミネセンス表面トポグラフの測定結果例を示す。 図３及び図４はそれぞれ、エメラルドカットされた合成ダイヤモンドのテーブ ル、及び、円形ブリリアントカットされた合成ダイヤモンドのテーブルの観察像 を示す。ただし、図４にはダイヤモンドの一部のみを示している。図３に示す合 成ダイヤモンドの光ルミネセンスは本質的には薄青色であり色帯を示していた。 図４に示す合成ダイヤモンドの光ルミネセンスは、主に黄色であるが青色の領域 も有しており、また、黄帯及び緑帯を示していた。領域３Ｌ３２、３３、３４は 図３ａ（図３の主要な特徴を示す）及び図４ａ（図４の主要な特徴を示す）にお いて識別されており、異なる成長区域、及び、成長帯に起因する図４ａにおける 平行に走る溝部３５を示している。これらの観察像は共に合成ダイヤモンドに特 徴的な混合晶癖成長を示している。 図５及び図６は図３及び図４と同一条件の下で得られた、２つの円形ブリリア ントカットされた天然ダイヤモンドの観察像を示す。図５及び図６の天然ダイヤ モンドは、天然ダイヤモンドに特有の青色の光ルミネセンスを示している。ほと んどの天然ダイヤモンドはＩａ型であり、４１５ｎｍ（Ｎ３帯）で始まり長波長 側へ広がる帯域にも起因して、青色ルミネセンスを放出する。かかる帯域は天然 及び合成のIIｂ型半導体ダイヤモンドから放出される青色帯にほぼ一致している 。天然IIａ型ダイヤモンド（点欠陥密度が非常に低い）は、２２５ｎｍ以下の紫 外線励起の下で、非常に弱いルミネセンスを示す傾向がある。 天然ダイヤモンド画像上のパターンは、ほぼ結晶のカットのみによって形成さ れ、明瞭な帯はほとんど見られない。歪んだ正方形３６は図５ａで識別されてい るが、これが成長帯を示す唯一の形跡である。図６ａはテーブルの中央部付近に のみ存在するいくつかの成長帯３７を示す。これらのダイヤモンドを検査する本 技術の熟練者であれば八面体成長のみを認識するであろう。図６ａの隅の明領域 ３８は内部亀裂からの光散乱によるものである。 図７は、研磨の前にテーブルに蒸着層が形成された円形ブリリアントカット天 然ダイヤモンドの画像上のパターンを示す。ただし、ダイヤモンドの一部のみを 示している。像中央のクラウン面はほぼ顕微鏡の焦点面に位置している。図７は 、天然ダイヤモンド基板の成長帯３９、及び、テーブルとクラウン面の隣接部分 のＣＶＤ層とからの明瞭に異なるルミネセンス４０を示す。ルミネセンス４０ は強度あるいは色が異なっている。 続いて、照射紫外線は遮断され、蛍光発光（紫外線光ルミネセンスの大半を形 成する）は途絶える。すべてのリン光が現れて、肉眼で、又は、カメラすなわち 画像記録機１２を用いて、これらリン光を観察することができる。全体的形状で は、トポグラフは図２〜図４ａに示すものに類似しており、各区域の形状は同一 である。しかし、ダイヤモンドによっては、リン光域がリン光を生じない背景領 域に対してより明瞭となって目立つために、個々の区域の存在が強調されること がある。光源５にフラッシュランプを用いるか、又は、光路にシャッター４１を 挿入することにより、照射を遮断することができる。照射を遮断するのにいかな る手段を用いてもよいが、電源６のスイッチを切るか、あるいは、シャッター４ １を落とす等により、照射の遮断は速やかに行われるべきである。カソードルミネセンス 概言すると、用いられる装置は、図１及び図２に関連して上述した装置と同様 のものでよい。しかし、本装置は電子ビーム銃、真空チャンバ、及び、磁気偏向 装置を備えている。鉛ガラス窓を通して通常の宝石用顕微鏡で観察することがで きる。適当な装置はＭａｒｓｈａｌｌの本”Ｃａｔｈｏｄｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅ ｎｃｅ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（地質学的材料のカ ソードルミネセンス）”（１９８８年Ｕｎｗｉｎ Ｈｙｍａｎ発行）の２１頁に 記述され図３．２に示される、冷陰極放電管を用いたＬｕｍｉｎｏｓｃｏｐｅモ デルＥＬＭ−２Ａ試料チャンバである。ダイヤモンドは、その操作が可能な任意 の支持手段に固定されればよい。また、使用する電子エネルギーは約１５〜２０ ｋｅＶ以下でよい。堆積された合成ダイヤモンド層が示すカソードルミネセンス 又は蛍光発光は、強度あるいはスペクトル分布が基板とは異なる。種々の研磨面 からのカソードルミネセンスを観察することにより、 合成薄膜と基板の境界面の位置を推定することが可能となる。この際、必要であ れば、真空チャンバ内のダイヤモンドを操作してかかる境界面の位置決めを行え ばよい。図３から図６ａに示す例は試験結果を表し、図７に示す例はカソードル ミネセンス試験の結果を表す。図７において、ＣＶＤ層４０からのカソードルミ ネセンスは、より暗く、色は橙色である。 以上は、本発明の一例として述べたものであり、本発明の範囲内で変更を加え てもよい。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年３月８日 【補正内容】 試料温度を上昇させると直ちに、種々の温度での熱ルミネセンスのピークが観 察される。リン光もまた観察される。リン光とは、励起源の除去後、数ミリ秒〜 数十秒、ときには数分を越える刺激ルミネセンスの減衰現象である。 熱ルミネセンス装置は複雑かつ高価であり、合成ダイヤモンドと天然ダイヤモ ンドの弁別には適していない。本発明 本発明は、請求項１、９、１６、又は１７に記載の如く、天然ダイヤモンドを 合成ダイヤモンドから弁別する方法及び装置を提供する。また、請求項２〜８、 及び１０〜１５に記載の如く、好ましく、あるいは、選択自由な特徴を有する上 述の方法及び装置を提供する。 本発明によれば、携帯可能で、例えば、小規模の地質学研究室、宝石卸製造者 、及び大規模宝石商小売団体でも利用できるように廉価かつ小型にし得る装置を 用いて、ほとんど全てのダイヤモンドに対して、それが天然であるか人工である かを決定することができる。 波長２２５ｎｍ未満の紫外線は、外部に漏れた場合、目や皮膚に対して危険で あるが、完全な遮蔽を行うことができる。通常の光学装置は波長２２５ｎｍ未満 の紫外線を減衰・吸収する。このため、紫外線を試料に照射するのにこれらの光 学装置を用いることはできないが、紫外光を大きく減衰させることのない特別な 光学装置を備えることが可能である。 ダイヤモンドは、その表面構造が弁別され得るような波長の紫外線励起状態の 下で、できれば種々のダイヤモンドにより生成される種々のルミネセンス色を補 助的に用いて観察される。ダイヤモンドの固定画像、すなわち、表面トポグラフ が形成され、好ましくは拡大される。しかし、本方法は、好ましくは、ダイヤモ ンドを顕微鏡を通して肉眼で観察することにより実行される。目が低い光度に適 応すれば良好な画像が観察される。 える。 紫外線により生成されるルミネセンスを観察することにより、ダイヤモンド上 に堆積された合成ダイヤモンド層を検出できることがわかった。かかる方法は天 然ダイヤモンド上に堆積された合成ダイヤモンドを検出するのに適しており、加 工されたダイヤモンド、特に、完全に研磨されたダイヤモンドに適している。 いずれの場合にも、照射強度は観察可能なルミネセンスを得るために十分なも のでなければならない。 本発明は更に実例により、添付の図面を参照して説明される。 は強度あるいは色が異なっている。 続いて、照射紫外線は遮断され、蛍光発光（紫外線光ルミネセンスの大半を形 成する）は途絶える。すべてのリン光が現れて、肉眼で、又は、カメラすなわち 画像記録機１２を用いて、これらリン光を観察することができる。全体的形状で は、トポグラフは図２〜図４ａに示すものに類似しており、各区域の形状は同一 である。しかし、ダイヤモンドによっては、リン光域がリン光を生じない背景領 域に対してより明瞭となって目立つために、個々の区域の存在が強調されること がある。光源５にフラッシュランプを用いるか、又は、光路にシャッター４１を 挿入することにより、照射を遮断することができる。照射を遮断するのにいかな る手段を用いてもよいが、電源６のスイッチを切るか、あるいは、シャッター４ １を落とす等により、照射の遮断は速やかに行われるべきである。 以上は、本発明の一例として述べたものであり、本発明の範囲内で変更を加え てもよい。 請求の範囲 １． 主にダイヤモンドの表面領域のみが照射され、かつ、前記ダイヤモンドの 表面よりも深い領域により放出されるルミネセンスが、前記表面領域により生成 されるルミネセンスを不明瞭にするには不十分であるように、ダイヤモンド表面 を波長の大部分が２２５ｎｍ未満である紫外線で照射し、 前記ダイヤモンドの表面領域により生成されるルミネセンスを観察する各段階 からなる天然ダイヤモンドを合成ダイヤモンドから弁別する方法。 ２． 前記ダイヤモンドの蛍光発光が観察される請求項１記載の方法。 ３． 前記照射紫外線が遮断されてリン光が観察される請求項１又は２記載の方 法。 ４． 前記照射紫外線は前記ダイヤモンド表面下約５０μｍの深さ内でその入射 強度の約１３％に減衰される請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の方法。 ５． 前記ダイヤモンドは拡大手段を通して肉眼で観察される請求項１乃至５の うちいずれか１項記載の方法。 ６． 前記ダイヤモンドの固定像が形成される請求項１乃至６のうちいずれか１ 項記載の方法。 ７． 前記ダイヤモンドの成長域の配置を示すパターンを同定する段階を更に備 える請求項１乃至６のうちずれか１項記載の方法。 ８． ダイヤモンドに合成ダイヤモンドの堆積層が存在しているか否かを決定す るのに用いられ、前記ダイヤモンドの表面領域により生成されるルミネセンスを 観察することにより表面上の合成ダイヤモンド領域が存在するか否かを検出する 段階を備える請求項１乃至６のうちいずれか１項記載の方法。 ９． 主にダイヤモンドの表面領域のみが照射され、かつ、前記ダイヤモンドの 表面よりも深い領域によって放出されるルミネセンスが不十分で、前記表面領域 により生成されるルミネセンスを不明瞭にすることがないように、ダイヤモンド 表面を波長の大部分が２２５ｎｍ未満である紫外線で照射する手段と、 前記ダイヤモンドの表面領域により生成されるルミネセンスを観察する手段と からなる天然ダイヤモンドを合成ダイヤモンドから弁別する装置。 １０． 請求項２乃至８のうちいずれか１項記載の方法と共に用いられる場合の 請求項９記載の装置。 １１． 前記ダイヤモンドを観察領域に支持する支持手段を備え、前記ダイヤモ ンドの表面に放射を照射する手段は照射光源とレンズ装置と放射の所定の帯域の みを通過させるフィルターとからなる請求項１０記載の装置。 １２． 前記照射放射を前記ダイヤモンドへ導く操縦可能なミラーを備えた請求 項１１記載の装置。 １３． 前記照射放射を前記ダイヤモンドへ導く反射フィルタを備えた請求項１ １記載の装置。 １４． 画像記録機を有する画像形成手段を備えた請求項９乃至１３のうちいず れか１項記載の装置。 １５． 前記照射紫外線を止める手段と、前記照射紫外線が止められた際のリン 光を観察する手段とを備えた請求項９乃至１４のうちいずれか１項記載の装置。 １６． 添付の図面を参照して本文中に大要を記述した天然ダイヤモンドを合成 ダイヤモンドから弁別する方法。 １７． 前記ダイヤモンドに電子又は波長２２５ｎｍ未満の紫外線を照射してル ミネッセンス放出を励起し、 前記ダイヤモンドにより放出される放射を観察することにより、表面上の合成 ダイヤモンド領域が存在するか否かを検出する各段階からなる、ダイヤモンドの 表面上に合成ダイヤモンドの堆積層が存在しているか否かを決定する方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＪＰ，ＫＲ，Ｕ Ｓ (72)発明者 ウェルボーン，クリストファー マーク イギリス国 アールジー10 ０エヌティー バークシャー ウォルサム・セイント・ ローレンス ウエスト・エンド シル・ブ リッジ・コテージ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 主にダイヤモンドの表面領域のみが照射され、かつ、前記ダイヤモンドの 表面よりも深い領域により放出されるルミネセンスが、前記表面領域により生成 されるルミネセンスを不明瞭にするには不十分であるように、ダイヤモンド表面 を波長の大部分が２２５ｎｍ未満である紫外線で照射し、 前記ダイヤモンドの表面領域により生成されるルミネセンスを観察する各段階 からなる天然ダイヤモンドを合成ダイヤモンドから弁別する方法。 ２． 前記ダイヤモンドの蛍光発光が観察される請求項１記載の方法。 ３． 前記照射紫外線が遮断されてリン光が観察される請求項１又は２記載の方 法。 ４． 前記ダイヤモンドの成長域の配置を示すパターンを同定する段階を更に備 える請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の方法。 ５． 前記照射紫外線は前記ダイヤモンド表面下約５０μｍの深さ内でその入射 強度の約１３％に減衰される請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の方法。 ６． 前記ダイヤモンドは拡大手段を通して肉眼で観察される請求項１乃至５の うちいずれか１項記載の方法。 ７． 前記ダイヤモンドの固定像が形成される請求項１乃至６のうちいずれか１ 項記載の方法。 ８． 主にダイヤモンドの表面領域のみが照射され、かつ、前記ダイヤモンドの 表面よりも深い領域によって放出されるルミネセンスが不充分で、前記表面領域 により生成されるルミネセンスを不明瞭にすることがないように、ダイヤモンド 表面を波長の大部分が２２５ｎｍ未満である紫外線で照射する手段と、 前記ダイヤモンドの表面領域により生成されるルミネセンスを観察する手段と からなる天然ダイヤモンドを合成ダイヤモンドから弁別する装置。 ９． 請求項２乃至７のうちいずれか１項記載の方法と共に用いられる場合の請 求項８記載の装置。 １０． 前記ダイヤモンドを観察領域に支持する支持手段を備え、前記ダイヤモ ンドの表面に放射を照射する手段は照射光源とレンズ装置と放射の所定の帯域の みを通過させるフィルターとからなる請求項９記載の装置。 １１． 前記照射放射を前記ダイヤモンドへ導く操縦可能なミラーを備えた請求 項１０記載の装置。 １２． 前記照射放射を前記ダイヤモンドへ導く反射フィルタを備えた請求項１ ０記載の装置。 １３． 画像記録機を有する画像形成手段を備えた請求項８乃至１２のうちいず れか１項記載の装置。 １４． 前記照射紫外線を止める手段と、前記照射紫外線が止められた際のリン 光を観察する手段とを備えた請求項８乃至１３のうち いずれか１項記載の装置。 １５． 添付の図面を参照して本文中に大要を記述した合成ダイヤモンドから天 然ダイヤモンドを弁別する方法。 １６． 図１を参照して本文中に大要を述べた合成ダイヤモンドから天然ダイヤ モンドを弁別する装置。 １７． 前記ダイヤモンドに電子又は波長２２５ｎｍ未満の紫外線を照射してル ミネッセンス放出を励起し、 前記ダイヤモンドにより放出される放射を観察することにより、表面上の合成 ダイヤモンド領域が存在するか否かを検出する各段階からなる、ダイヤモンドの 表面上に合成ダイヤモンドの堆積層が存在しているか否かを決定する方法。 １８． 前記ダイヤモンドは拡大手段を通して肉眼で観察される請求項１７記載 の方法。 １９． 本文中に大要を記述した請求項１７記載の方法。