笔者从公开市场上购买了一批硼砂作为助熔剂热处理的红宝石, 挑选出6颗具有典型特征的刻面型透明样品, 如(图1)所示, 5颗样品为椭圆刻面型, 一颗样品为水滴刻面型。 其中样品颜色从玫瑰红到暗红变化, 并伴有轻微的紫色调, 分别编号为R-1—R-6: a—f(图1), 质量范围为1~3克拉。

图1

Fig.1

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	图1 硼砂辅助热处理的6个红宝石样品(a—f: R-1—R-6)Fig.1 Six heated ruby samples filled with borax (a—f: R-1—R-6)

放大观察可见样品中的硼砂填充物(即硼砂)呈线性或网状分布, 沿着裂隙表面形成流纹状或指纹状的外观, 同时还有一些因高温结构脱水而从红宝石中析出的无色三水铝矿(图2), 使热处理后红宝石呈半透明的浑浊状外观。

图2

Fig.2

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	图2 样品中典型的硼酸钠(硼砂)充填特征和脱水三水铝矿Fig.2 Typical sodium borate and dehydrated gibbsite in a ruby sample

与笔者之前研究的铅玻璃作充填物热处理红宝石相比, 硼砂辅助的热处理红宝石有如下特征:

(1)蓝色闪光经常出现在铅玻璃填充的刚玉中, 而在硼砂填充的刚玉中几乎没有闪光现象。

(2)高折射率的铅玻璃通常为正高突起, 而硼砂为负低突起。

(3)脱水的三水铝矿的出现证明红宝石经过了1 600 ℃的高温处理, 而玻璃填充物则不需要这么高的温度。

可见热处理红宝石和铅玻璃充填红宝石区别较大, 通过显微观察其充填物痕迹进行半定量判断有一定难度系数。

X射线扫描断层仪(CT)是由X射线源、 光敏探测器、 样品转盘、 机械系统和控制处理系统等组成。 其中, X射线的波长为0.01~10 nm, 波长短, 容量大, 传统材料强。 在图3中, 在X射线扫描断层摄影中, 探测器是闪烁材料(CCD/CMOS), 将X射线转换为可见光, 再由电信号转换为二维图形。 这个过程就是数字成像的过程。 X射线断层扫描仪进一步通过软件平台-计算机进行数学运算, 利用投影的傅里叶变换获得待测样品的傅里叶变换, 并对断层的空间结构进行重建, 从而将物体的二维结构透视图转化为三维结构图。

图3

Fig.3

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	图3 X射线成像的原理Fig.3 The principle of X-ray imaging

NanoVoxel-4000型X射线计算机断层成像技术与高分辨率物镜耦合检测器和大视野的平板检测器一起应用, 形成一个特殊的双光路X射线成像检测系统, 扫描样品R-5, 设置管电压180 kV, 管电流350.0 μA, 单张投影图像积分时间为0.6 s, 源到工件旋转中心距离(SOD)为22.7 mm, 源到探测器的距离(SDD)为1 044.3 mm, 图像采集数为1 080, 获得裂隙中硼砂填充物的2D和3D图像。 借助Avizo 9.0软件技术, 提取填充裂隙的边界, 渲染填充物的颜色, 形成红宝石切片的裂隙中硼砂充填物分布图和三维填充分布图。 用Avizo 9.0软件对整个红宝石和硼砂填充物进行阈值分割, 得到两者的体积, 然后得到填充物的体积占红宝石体积的百分比。 而整个测试过程为无损鉴定。

当遇到硼砂辅助热处理的刚玉或用不同类型的玻璃填充的刚玉, 无论玻璃中是否存在重金属(如铅), 都可以用这种方法检测裂隙中充填物的含量。 它也适用于检测镶嵌在贵金属中的宝石, 测试过程中不需要把宝石从镶嵌的贵金属中取下来, 检测过程较为方便。 虽然检测一颗样品的时间较长, 通常需要1 h左右, 但该设备可以同时检测多颗样品, 从而提高检测效率。

三维裂隙-硼砂填充物分布图(图4)展示了从不同角度看裂隙填充物的情况。 红色部分代表红宝石基底, 蓝色部分则代表填充物。 可见硼砂填充物以网状形式分布在红宝石的整个表面, 与红宝石基底有明显的界限。 这表明填充物和红宝石之间没有结构上的融合。 该图像还从红宝石中提取了填充物的三维结构。 三维裂隙填充物的三维厚度用不同的颜色表示, 如图5所示。 通过比较表征厚度的色标, 发现填充物的厚度大多集中在蓝紫色区域, 极少数在红橙黄色区域, 说明填充物的三维厚度基本较薄, 极少数较厚。 厚度反映了填充物的数量, 是不同填充物数量对比研究中的一个重要参数。 可见填充物的空间分布特征的观察与描述是定性描述充填物的分布特征的衡量指标。

图4

Fig.4

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	图4 三维裂隙填充物分布图(比例为1 mm) (a)、 (b)为俯视图, (c)、 (d)为侧视图Fig.4 3D fracture-fillings distribution maps (Scale for 1 mm) (a) and (b) are top-view, while (c) and (d) are from side view

图5

Fig.5

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	图5 三维裂隙填充物厚度分布图(比例为1 mm)Fig.5 3D fracture-fillings thickness distribution map (Scale for 1 mm)

计算机断层扫描检查不能直接测量不同物质的密度, 只能显示相对密度, 灰色越亮, 密度越高。 图6是二维裂隙填充物剖面的侧视图(a、 b)和正视图(c、 d), 可以清楚地显示内部裂隙填充物的效果。 裂隙填充物是高密度的硼砂, 图像中的灰度值很亮, 显示为亮白色。 空的裂隙里有空气, 密度低, 在图像中显示为深灰色。 从测试图中可以看出, 硼砂填充物在白色亮区呈条状或网状分布, 暗区为深灰色至黑色。 暗区灰度值的变化代表了空隙、 红宝石本身和红宝石内部其他天然内含物。 侧面图(ab)和正面图(cd)显示, 硼砂填充了整个红宝石的内部, 填充物以网状形式分布。 亮色条带的厚度反映了红宝石中填充物的数量。 在亮色条带集中的区域(图6, 标签a), 红宝石的填充物相对显著, 在这个区域, 裂隙填充物形态相对较宽, 并且相互交叉。 薄的亮色条带(图6, 标签b)大多是薄的填充裂隙, 显示出少量的填充材料。 图7显示了硼砂填充裂隙和未填充的空裂隙之间的对比。 在红色圆圈标示的A区的亮白色条带中, 可以看到一个或多个形状和大小不规则的黑洞。 这些黑洞实际上是带状裂隙中未填充的区域。 X射线成像可以比显微镜观察更直观地反映填充物的内部分布特征, 是半定量描述充填物含量的重要指标。

图6

Fig.6

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	图6 样品的2D切片图(比例为1 mm) (a)、 (b)为侧视图, (c)、 (d)为正视图Fig.6 2D slices of the sample(Scale for 1 mm) (a) and (b) are from side view, while (c) and (d) are from front view

图7

Fig.7

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	图7 样品的二维切片图(填充和空隙的比较)(比例为1 mm)Fig.7 2D slices of the sample (comparison of filling and empty fractures) (Scale for 1 mm)

样品的二维切片图(图8)以亮色条带的颜色深度和形态分布特征代表填充物的含量。 但为了更直观地表征裂隙中硼砂充填物的厚度, 在这种情况下, 应用Avizo 9.0软件技术解读填充物的X射线图像, 有效提取红宝石切片的填充裂隙边界, 用不同颜色表示不同厚度的裂隙充填物, 从而清晰展现裂隙中硼砂充填物的2D厚度分布情况。 如图8所示, 根据填充裂隙之间不同的壁厚, 我们用不同的颜色来表征填充边界。 可以发现, A区的填充裂隙边界为橙红色, 这意味着填充裂隙壁越厚, 填充量越大。 B区的填充裂隙边界是蓝紫色的, 这意味着填充裂隙壁越薄, 填充量越少。

图8

Fig.8

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	图8 二维裂隙中硼砂充填物厚度分布图(比例为1 mm)Fig.8 Thickness Distribution map of borax fill in 2D fracture (Scale for 1 mm)

图9是裂隙中硼砂充填物部分的厚度分布直方图, 纵坐标代表裂隙中硼砂填充物的壁厚, 横坐标代表该厚度的填充裂隙中红宝石体积的百分比。 精度范围在2 μm以内。 研究发现, 裂隙中填充材料壁的厚度呈现正态分布。 红宝石裂隙中硼砂填充物壁的厚度呈现中间高, 两端低。 所有硼砂填充物的壁厚都小于130 μm, 大部分填充在裂隙中的硼砂的厚度为薄至中等。 所有填充裂隙的厚度和体积比都小于10%, 说明填充量小。 硼砂充填物的厚度分布直方图是也是半定量描述充填物含量的重要指标。

图9

Fig.9

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	图9 裂隙中硼砂充填物剖面厚度分布直方图Fig.9 Histogram of thickness distribution of borax fill profile in fracture

CT扫描得到样品裂隙中硼砂充填物的三维图像是由微小的立方体组成的。 微小的立方体就是体素。 CT图像为16位数据, 每个体素都有相应的灰度值(灰度值范围为0~65 535)。 通过AVIZO 9.0软件, 用阈值对整个红宝石进行分割。 阈值分割是选择一个灰度范围并提取它, 得到红宝石的体积, 然后对硼砂部分进行阈值分割, 得到硼砂的体积。 两者的比例就是填充材料-硼砂的体积比例。

裂隙中硼砂填充物的体积为8.539 6×10⁹ μm³, 而红宝石的总体积为7.984 8×10¹⁰ μm³, 所以硼砂充填物体积的比例为10.69%, 这是填充物的一个重要量化指标, 实现了精准定量测量充填物含量的目的。 得到填充物的比例, 我们可以对不同填充量的红宝石进行比较研究, 为红宝石填充物的定量分类研究提供依据。

根据LMHC关于刚玉在愈合裂隙或空洞中存在加热过程中的残留物的规定(LMHC#1^[1]), 将硼砂填充物的含量分为三个等级, 即轻微(TE1和TE2)、 中等(TE3和TE4)和重大(TE5), 该标准使用简单的量化术语来描述填充物的大小、 位置和性质: 这种残留物可能由从非常细小的条带状网格到众多沟壑状结构组成, 且具有相当的厚度。 可以看出, LMHC的规定对填充物体积定量的研究做出了重要贡献, 但通过显微镜观察确定充填物体积的量都是定性或半定量的, 而且有些主观。 因此, 通过CT断层扫描来计算填充物的含量, 并建立相应的分级标准, 将是很大的进步。 尤其是对热处理红宝石中硼砂的定量分级标准的研究尤为重要。 这将对规范热处理红宝石的市场定价起到一定的作用。

虽然在本实验中受到测试样本数量的限制, 仅对单个红宝石的填充量进行了测量, 但目的是对红宝石的CT断层成像特点进行定量研究。 在本实验的后续研究中, 可以增加测试样品的数量, 这种方法也是有效的。 后续的研究可以进一步对红宝石的填充物进行定量测量, 从而为按照标准体系对填充物进行分级提供精确的测量依据。