钻石颜色分级定量化技术的研究（英文）

美国宝石学院19世纪30年代起,首先建立了一套成熟的钻石颜色分级系统。传统上,钻石颜色分级靠目视以及与成套标准比色石比较确定。目视分级结果被一些因素如检验环境、钻石尺寸,分级人员等所影响。因此经常出现对一个样品,即使是同一个人在相同环境分级检测也容易出现分级偏差。为了避免上述问题,利用检测设备来评估钻石颜色,成为钻石领域的一个研究热点。可是目前没有达到评估钻石颜色分级的要求。该研究给出了一个有意义的方法来定量表征钻石的颜色。该方法使用显微微区定位检测方法来定量评估钻石颜色,同时该方法可以避免钻石尺寸大小对钻石颜色分级的影响。可见光分光光度计原理被使用在该方法。该方法由样品系统、微区定位显示系统、信号收集与计算系统组成。D65光源被使用,并且色温保持在(6 500±200) K;高分辨率CCD探测器作为信号采集设备。该方法准确检测了几套不同大小和颜色的带国家(中国)标准证书的钻石样品,结果表明,该方法能够快速、准确的测量钻石的颜色坐标,并自动转换为钻石分级系统对应的颜色分级级别,同时靠使用微区定位检测技术,对圆钻型钻石测试能够排除钻石尺寸引起的颜色分级偏差。该方法对钻石分级是一个有益的潜在技术。     

天然钻石与合成钻石的特异性光谱初步研究

通过紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR) 吸收光谱、傅里叶变换红外(FTIR)光谱及钻石观测仪( DiamondViewTM)对天然钻石、经辐照或热处理的天然钻石、高温高压(HTHP)合成钻石及化学气相沉积(CVD)合成钻石进行了较系统的谱图及微区生长结构的对比研究。结果表明：天然钻石、经辐照或高温退火处理后的天然钻石、高温高压(HTHP)合成钻石的UV-Vis-NIR吸收谱图在200～1 100 nm区间谱图的反射率变化明显。相比之下,CVD合成钻石的反射率的变化相对较小。基于钻石样品的红外光谱分析,在其图谱中的800～1 600 cm-1区间,合成钻石样品、特别是CVD合成钻石在上述区间无明显的特征吸收峰位。此外,DiamondViewTM检测表明：一般而言,经HTHP处理后的CVD合成钻石出现平行的位错线,并呈现淡蓝色荧光。部分天然钻石可见典型的八面体生长线或称为树的年轮状图像,且因样品经辐照与高温高压处理后其荧光图像的颜色发生改变。高温高压合成钻石呈现出块状几何生长图像。限于钻石样品类别的多样性及合成钻石工艺的复杂且不断更新特征,天然钻石与合成钻石 的UV-Vis-NIR或FTIR光谱特征存在一定的相似性,因此不具有典型天然钻石图谱特征的样品需进一步辅以DiamondViewTM、光致发光光谱等其他检测仪器予以综合分析。     

硬X射线微米探针高精度样品定位系统

介绍了上海光源硬X射线微聚焦光束线站(BL15U1)的高精度样品定位系统。该系统由离线样品显微镜系统、在线样品实验系统和高精度定位样品架三部分组成。通过编译控制程序、样品架定位、坐标转换,将样品的在线X射线荧光成像实验和离线显微镜观察进行有效结合,首次在国内同步辐射装置上实现样品在微米范围内的快速离线定位。该系统帮助科研工作者在利用微束X射线研究物质微区特征时,快速准确地寻找微区研究对象。利用金网进行X射线荧光成像实验,对比离线高倍显微镜下金网各结点的坐标,对样品定位系统的精度进行验证。结果表明,该样品定位系统在X方向的平均误差为1.3 μm,Z方向的平均误差为2.5 μm。该系统不仅简便快速、准确可靠,节约宝贵的实验时间,也为同步辐射微聚焦线站开展样品自动对焦方法提供技术前提。     

土壤颜色由CIE向Munsell系统的定量转换

颜色是土壤重要形态特征之一,也为判断土壤理化特征、过程与功能的重要依据和指标。土壤颜色目前采用Munsell颜色系统表示,主要依靠将土壤样品与土壤Munsell比色卡比对而确定。该方法由于受个人视觉感官和判别环境等因素限制,导致土壤颜色判别结果存在主观性强,易出现偏差等问题。为此,寻求客观、定量、方便地表征土壤Munsell颜色的方法,对于今后有关土壤颜色应用的研究工作极为重要。该研究试图利用分光色度仪,结合Python计算机语言编程,采用邻近等明面插值等方法,提出了一套可操作的从CIE到Munsell颜色系统转换的方法,以实现土壤颜色从CIE到Munsell颜色系统的方便、快速、高精度转换,达到土壤颜色的客观、定量、标准化测定。由分光色度仪测得样品CIELAB颜色值,利用CIE和Munsell两大颜色系统的已有的转换模型和方法,由CIELAB值计算获得Munsell明度值V和色品坐标,以Python语言编制程序,实现样品的明度值和色品坐标的自动计算。进而采用邻近等明面数学插值法和色度变换图确定Munsell系统H和C值。以《中国标准土壤色卡》的419张色片和22个土壤与古土壤样品进行验证,结果表明利用本文方法色调（H）测定值与色片标准值相比较,仅有12张色片存在误差,验证准确率为97%。《中国标准土壤色卡》的明度值（V）、彩度值（C）测定值与标准值之间相关系数分别为0.987（p＜0.001）和0.976（p＜0.001）,测定结果与标准值之间存在极显著相关关系。土壤与古土壤样品测定值与目视判别色调差异较小,主要差别是明度和彩度,这可能与目视判读受个人主观、光学环境等因素影响所致。基于过去已有的由CIE到Munsell颜色系统转换方法,该研究利用Python计算机语言编程编写了程序代码,实现CIELAB值到Munsell明度V值和色品坐标的转换过程的自动计算,并提出一种基于邻近等明面新的插值方法,转换步骤简明,易实现,为土壤颜色的快速、定量获取提供途径。     

基于高光谱的颜色辨别方法研究

在颜色测量领域区分相似颜色的样品是非常困难的。测量颜色的准确性和高效性对于工业上的应用非常重要。提出了一种基于超光谱成像技术的色彩测量的方法,并设计制成原理样机系统。该系统能够快速准确的测量彩色样品的光谱,并在分析后可得丰富的颜色数据与颜色坐标。该方法克服了传统测色方法“测谱不成像,成像不测谱”的局限性。为了评估系统的性能,进行分析和实验：比较细分的每个波段的信噪比,并使用光谱匹配技术来比较彩色照相机和所设计的系统在颜色测量方面的优缺点。结果表明,本系统提供了一种更精确的颜色测量方法,可以有效地测试产品颜色的质量。     

基于高光谱的颜色辨别方法研究（英文）

在颜色测量领域区分相似颜色的样品是非常困难的。测量颜色的准确性和高效性对于工业上的应用非常重要。提出了一种基于超光谱成像技术的色彩测量的方法,并设计制成原理样机系统。该系统能够快速准确的测量彩色样品的光谱,并在分析后可得丰富的颜色数据与颜色坐标。该方法克服了传统测色方法"测谱不成像,成像不测谱"的局限性。为了评估系统的性能,进行分析和实验:比较细分的每个波段的信噪比,并使用光谱匹配技术来比较彩色照相机和所设计的系统在颜色测量方面的优缺点。结果表明,本系统提供了一种更精确的颜色测量方法,可以有效地测试产品颜色的质量。     

一种基于线阵CCD技术印刷电路板胶片的尺寸及缺陷在线检测方法

对于最大幅宽为500mm的胶片，提出了一种基于线阵CCD技术实现印刷电路板胶片尺寸及缺陷的在线检测方法。设计的线阵CCD和被测胶片相结合的二维双向运动机构完成扫描成像。设计的成像系统使得线阵CCD成像范围覆盖一个被测单元的幅面，避免了图像拼接时所引入的误差。扫描图像先经模板匹配定位感兴趣区域，再对针孔区域、缺角区域分别采用了区域生长法和差影法来实现缺陷检测，线段区域则通过区域分割法来实现尺寸测量。实验表明，该方法不仅能够对针孔、缺角进行有效的判别，而且能准确地测量出线宽和线间距，分辨率可达0．025mm。     

基于数字化标尺的视觉读数系统研究

为了改进目视光学仪器的读数系统,设计了一种基于数字化标尺的视觉读数系统。该系统采用绝对码标尺做基准,使用由光学系统、CCD摄像机和计算机组成的读数系统来读取标尺数值。系统不仅消除了增量码标尺的累积误差的影响,而且还实现了刻线的自动瞄准定位和读取。实验证明,该读数系统的不确定度为0 12μm,其精度比目视读数系统提高了5倍以上。     

一种疑似合成钻石的天然钻石光谱学特征

该研究团队在近期日常检测中发现一粒疑似合成钻石的天然钻石。该样品的质量为0.029 5 g(0.14 ct),尺寸为3.32 mm×3.33 mm×2.08 mm,颜色级别为H,净度级别SI₁,在正交偏光镜下具有异常消光现象。该样品在短波紫外灯下具有强的绿黄色荧光，并伴有强烈的绿黄色磷光现象，磷光持续时间50 s以上；傅里叶变换红外光谱仪测试确认该样品为Ⅱa型，在1 400～400 cm^-1无明显吸收峰，在1 970～2 500 cm^-1处具有由C—C晶格振动所引起的吸收峰；紫外可见光谱仪测试未检测到415 nm吸收峰，显示270 nm吸收峰。上述特征疑似HPHT合成钻石。为确认该样品的成因，又对其做了部分光谱测试，采用De Beers研制的Diamond-view^TM测试样品的发光图像，该样品的发光图像呈蜥蜴皮状、蜂窝状；采用常温光致发光光谱仪测试，选用405 nm光源激发时，可见415、 428和450 nm特征峰；选用365 nm光源激发时，可见415、 428和450 nm特征峰以及氮空位中...     

硬X射线微束掠入射实验的控制和数据采集系统及其应用

在国内发展了硬X射线微束掠入射实验方法,并将此具有微米级高空间分辨率的方法应用于纳米厚度薄膜的微区分析。该实验方法对分析样品表面或薄膜在微小区域的不均匀组分、结构、厚度、粗糙度和表面元素化学价态等信息具有重要意义。基于X射线全反射原理,以微聚焦实验站的高通量、能量可调的单色微束X射线为基础,通过集成运动控制、光强探测、衍射和荧光探测,设计了掠入射实验方法的控制和数据采集系统。此系统采用分布式控制结构,并基于Experimental Physics and Industrial Control System （EPICS）环境设计SPEC控制软件。通过建立SPEC和EPICS的访问通道,实现SPEC软件对EPICS平台上设备的控制和数据获取。在所设计的控制和数据采集系统中,运动控制系统控制多维样品台电机的运动,实现定位样品位置和调节掠入射角;光强探测系统则监测样品出射光强度,通过样品台运动控制和光强探测的联控,实现样品台的扫描定位控制;通过衍射和荧光探测系统获取不同入射深度下样品的衍射峰强度和荧光计数。此外,为准确控制掠入射角角度,必须确定样品平面与X射线平行的零角度位置,对此给出一种自动定位零角度的方法,编写了该方法的控制算法,设计了相应的控制软件。零角度自动化定位的扫描结果表明,实验系统微区分析的空间分辨率达到2.8 μm,零角度定位精度小于±0.01°。利用该系统在上海光源微聚焦实验站首次实现了具有自动化准确控制零角度的微束掠入射X射线衍射和荧光同步表征的实验方法,实验中被测样品为10 nm Au/Cr/Si薄膜材料,Si基底最上层为10 nm厚的Au薄膜,其间为一层很薄的Cr粘附层。在不同掠入射角下测量样品的衍射信号,获取不同入射深度下样品的衍射峰强度,并实现在同一掠入射角下,同步采集样品的荧光计数信号,从而确定了样品表层的相结构信息以及荧光信号强度与入射角关系,实现了对纳米厚度薄膜在微小区域的相结构和组分分析。此外,通过该技术能够选取荧光计数最大值对应的入射角度,有助于提高后续发展的低浓度样品掠入射X射线吸收近边结构实验方法的信噪比。     

FeMn粉末触媒对合成金刚石的影响

 利用FeMn粉末触媒在国产六面顶压机上进行了合成金刚石单晶的实验,研究了高温高压条件下（5.7 GPa、1 550 ℃）,石墨-FeMn粉末触媒体系中金刚石单晶的生长特性。通过光学成像显微镜观测表明：合成出的金刚石单晶呈浅黄色,晶形完整,且都是八面体,晶体里含有白色物质,粒度集中在0.3~0.5 mm;通过扫描电镜观测了晶体的表面形貌,表面有熔坑;通过穆斯堡尔谱,发现粉末触媒里主要是FeMn合金和独立状态的Fe,金刚石内部主要是Fe和Fe₃C;利用X射线荧光光谱,检测出样品里有Fe和Mn元素。     

合成腔体尺寸对Ib型六面体金刚石单晶生长的影响

利用液压缸直径为550 mm的大缸径六面顶压机, 在5.6 GPa, 1200-1400 ℃的高压高温条件下, 分别采用单晶种法和多晶种法, 开展了Ib型六面体宝石级金刚石单晶的生长研究, 系统考察了合成腔体尺寸对Ib型六面体金刚石大单晶生长的影响. 首先, 阐述了合成腔体尺寸对合成设备油压传递效率的影响, 研究得到了设备油压与腔体内实际压力的关系曲线; 其次, 选择尺寸为Φ 14 mm的合成腔体, 分别采用单晶种法和多晶种法(5颗晶种), 进行Ib型六面体金刚石大单晶的生长实验, 研究阐述了Φ 14 mm合成腔体的晶体生长实验规律; 再次, 为了解决液压缸直径与合成腔体尺寸不匹配的问题, 将合成腔体尺寸扩大到26 mm, 并开展了多晶种法六面体金刚石大单晶的生长研究, 最多单次生长出14 颗优质3 mm级Ib型六面体金刚石单晶, 研究得到了Φ 26 mm合成腔体生长3 mm级Ib型六面体金刚石单晶的实验规律, 并就两种腔体合成金刚石单晶的总体生长速度与生长时间的关系进行了讨论; 最后, 借助于拉曼光谱, 将合成的优质六面体金刚石单晶与天然金刚石单晶进行对比测试, 对所合成晶体的结构及品质进行了表征.     

HPHT preparation and Micro-Raman characterization of polycrystalline diamond compact with low residual stress

High quality grown polycrystalline diamond compact (PDC) with low residual stress was prepared using the infiltration method with nickel based alloys as the solvent under high temperature and high pressure (HPHT). Scanning electron microscopy (SEM) was used to observe the micro morphology of the diamond layer and the diamond/WC substrate interface. It was found that dense and interlaced microstructure with diamond-diamond (D-D) direct bonding formed in the diamond layer of PDC. Micro-Raman spectroscopy was used to measure the Raman shift of diamonds in the polycrystalline diamond (PCD) layer and the residual stress was calculated based on the Raman shift of diamonds. Experimental results show that the residual stress of PCD layer is compressive stress, and the range of the residual stress is from 0.075 to 0.250 GPa in the whole PCD layer, much lower than that of other reports (up to 1.400 GPa). Moreover, the distribution of the residual stress from the diamond surface layer to the inner cross-section is homogeneous.     

Synthesis of N-type semiconductor diamonds with sulfur,boron co-doping in FeNiMnCo-C system at high pressure and high temperature

A series of diamonds with boron and sulfur co-doping were synthesized in the Fe Ni Mn Co-C system by temperature gradient growth(TGG) under high pressure and high temperature(HPHT). Because of differences in additives, the resulting diamond crystals were colorless, blue-black, or yellow. Their morphologies were slab, tower, or minaret-like. Analysis of the x-ray photoelectron spectra(XPS) of these diamonds shows the presence of B, S, and N in samples from which N was not eliminated. But only the B dopant was assuredly incorporated in the samples from which N was eliminated. Resistivity and Hall mobility were 8.510 ?·cm and 760.870 cm~2/V·s, respectively, for a P-type diamond sample from which nitrogen was eliminated. Correspondingly, resistivity and Hall mobility were 4.211×10~5 ?·cm and 76.300 cm~2/V·s for an N-type diamond sample from which nitrogen was not eliminated. Large N-type diamonds of type Ib with B–S doping were acquired.     

Large single crystal diamond grown in FeNiMnCo-S-C system under high pressure and high temperature conditions

Large diamonds have successfully been synthesized from FeNiMnCo-S-C system at temperatures of 1255-1393 ℃and pressures of 5.3-5.5 GPa.Because of the presence of sulfur additive,the morphology and color of the large diamond crystals change obviously.The content and shape of inclusions change with increasing sulfur additive.It is found that the pressure and temperature conditions required for the synthesis decrease to some extent with the increase of S additive,which results in left down of the V-shape region.The Raman spectra show that the introduction of additive sulfur reduces the quality of the large diamond crystals.The x-ray photoelectron spectroscopy(XPS) spectra show the presence of S in the diamonds.Furthermore,the electrical properties of the large diamond crystals are tested by a four-point probe and the Hall effect method.When sulfur in the cell of diamond is up to 4.0 wt.%,the resistance of the diamond is 9.628×10~5 Ω·cm.It is shown that the large single crystal samples are n type semiconductors.This work is helpful for the further research and application of sulfur-doped semiconductor large diamond.     

天然与高温高压合成金刚石的RAMAN与PL光谱研究

天然、Fe-C(H)系及Ni-C系高温高压合成金刚石的晶体形态、Raman光谱及PL谱研究结果表明：Fe-C(H)系高温高压合成金刚石多为类似于天然金刚石的八面体形态,Ni-C系高温高压合成金刚石的晶体形态多为六八面体;天然金刚石的品级最佳、所含缺陷最少,Fe-C(H)系高温高压合成金刚石次之,Ni-C系高温高压合成金刚石品级最差、所含缺陷最多;金刚石在形成过程中,除结晶生长过程外,还应该存在“排杂”过程;人们在分析天然与HPHT合成金刚石形成过程之间的关联时,除要考虑两者形成的物质体系差异外,还应该充分关注时间、空间因素在金刚石形成过程中的意义。     

Diamond. Part 2

A brief review is given of some recent solid-state physics studies made on diamond. These include both the ultra-violet and the infra-red absorption spectra of diamond; the classification of diamonds; a survey of the semiconducting properties exhibited by some diamonds; diamond luminescence; and some of the effects produced when diamonds are subjected to irradiation by high energy particles and by neutrons. The recently developed diamond radiation counter and the advantages of such a counting system are discussed.     

显微红外光谱填图法示踪中国三个产地的天然钻石中氮杂质的非均匀生长

钻石产地特征研究在了解地幔演化及遏制国际冲突钻石非法交易等方面具有重要意义,采用傅里叶变换显微红外光谱技术对采自中国三个商业性产地的14片天然IaAB型钻石进行了系统的面扫描分析,根据显微红外光谱谱图定量计算出钻石中的氮含量(1 616个红外测试数据)并进行填图示踪。结果表明,钻石生长过程中氮的含量和聚集度不断变化,且成核阶段氮含量可高于或低于其他生长阶段,不同生长阶段氮杂质含量不具有单向变化规律,显示钻石生长过程中地幔流体碳和氮存在复杂的交换,不同产地钻石中氮含量频率分布及NB%/N(T)特征存在一定的区域性差异,与跳点法红外光谱测试相比,面扫描法填图能更直观和连续的示踪钻石生长过程中氮杂质的不均匀生长。