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宝石最適化の方法とは？ロック解除5つの方法と装備ガイド
宝石の最適化 使用方法と主な設備
宝石の最適化処理方法は数多くあり、科学技術の進歩に伴い、これらの方法は絶えず改良され、更新されています。最も伝統的な最適化処理方法には、加熱処理、染色・着色、無色オイルへの浸漬、表面コーティングなどがある。例えば、古代の人々は早くから、加熱することでメノウの色が向上することを認識しており、メノウをさまざまな染料の中に入れることで、さまざまな色に染めることができた。こうした方法は知られていたが、当時は偶然発見されることが多かった。人々が宝石の結晶（ダイヤモンド、ルビー、サファイア、トパーズ、ベリル、石英など）や有機宝石（真珠、琥珀など）の物理的性質や発色メカニズムを徐々にマスターして初めて、従来の分野を突破し、新たな最適化処理法を開発することができたのである。
現在、宝石の最適化処理には、物理化学的処理、熱処理、照射処理、高温高圧処理、レーザー処理などが主に用いられている。宝石の最適化処理で最も広く用いられているのは熱処理で、ルビー、サファイア、ヒスイ輝石、カルセドニーなど、微量不純物元素によって着色する宝石の色調を改善する。照射法は主にカラーセンターを持つ宝石の色を改善するもので、照射によって宝石の構造組成に欠陥を生じさせ、カラーセンターを形成して宝石の色を変化させる。物理化学的処理は、一般的に宝石を着色するために異なる染料を使用して染色など、より伝統的な最適化方法です。必要な装置は簡単で、操作は便利ですが、改善された宝石は不安定で退色しやすい。高温高圧処理は現在、ダイヤモンドを処理する方法であり、高温と高圧によって色を変える。レーザー処理は主に、ダイヤモンドの色と透明度を向上させるための局所的な処理に使用されます。
ステンド・クォーツァイト
目次
セクション I 宝石の化学処理方法
宝石の物理的・化学的処理方法には、染色・着色、漂白、油浸、注入充填、接着、コーティング、裏打ち、積層、包埋などの一般的な方法があり、その歴史は古い。中でも染色は、宝石の色を良くするための伝統的な方法で、その歴史は古代にまで遡る。歴史的記録によると、紀元前1300年頃のエジプトの墓から染色された赤メノウが発見されている。伝統的な改善方法は単純であるため、多くのクラックを持つほとんどの構造的に緩い隠微晶または単結晶の宝石に適用することができます。市場に出回っている多くの染色された宝石は、天然宝石を装っているので、染色や他の着色方法で処理された宝石を識別する必要があります。処理方法の性質により、化学的処理方法と物理的処理方法に分類される。
化学処理法とは、一定量の化学試薬を添加し、宝石の成分と化学反応させることで、化学試薬に含まれる着色成分を宝石の内部に入り込ませたり、宝石の隙間に染み込ませたりして、宝石の色を変化させる方法である。化学処理の過程では、宝石の成分以外の物質を添加しなければならない。この最適化処理方法は加工の一形態であり、宝石が販売されるときに表示する必要があります。一般的な化学処理方法には、染色、着色、漂白、注入充填などがある。
1.染色と着色
染色と着色のプロセスと原理は、使用する染料が異なるだけです：染色は有機染料を使用し、着色は無機顔料を使用します。染色と着色の原理は同じで、宝石に着色料を浸透させ、宝石の色を濃くしたり変えたりする。着色で使用される化学試薬は、天然宝石に近い色であり、良好な安定性を有し、それらが色あせしにくくなります。現在、ほとんどの宝石は無機顔料で着色されている。
(1) 材料、染料、溶剤に関する要求事項
染色と着色の方法は処理方法が似ており、必要な器具は最小限で、容器にしばらく浸けておくだけで十分である。宝石に色を浸透させたい場合は加熱が必要で、加熱温度は一般的に低い。染色や着色は、主に色が薄く、組織がゆるい宝石素材に用いられる。染色と着色の効果は、宝石の素材、選択された染料と顔料、着色溶剤などの条件によって異なり、具体的な条件は以下の通りである。
珠玉の素材の条件
まず、酸、塩基、熱に耐性がなければならない。染色する前に、処理する宝石材料を酸やアルカリで洗浄しなければならないし、染色の過程では加熱が必要で、時には長時間煮沸する必要がある。
第二に、処理される素材は、宝石素材に着色剤を浸透させるために、一定の多孔性も必要である。ジェダイト、ネフライト、カルセドニー、メノウ、大理石などの素材は、比較的染色しやすい。
無孔質の宝石の場合、着色剤が水晶に入るように人工的な孔やクラックを作らなければならない。例えば、石英爆発法では、まず石英を加熱して急冷し、極めて小さなクラックを作り、その後染色または着色を行う必要があり、これにより赤色または緑色の石英を得ることができる（図4-1）。
着色剤（染料、顔料を含む）に関する要求事項
まず、宝石の特性に基づいて適切な染料または顔料を選択します。宝石を染める場合、着色剤の色は宝石の自然な色に近いことが望ましい。有機染料で染めた宝石は色数が多く、とても鮮やかですが、"偽物 "感があり、安定性が悪く、退色しやすいです。無機顔料の色は天然宝石に近いことが多く、安定性がよく、退色しにくいので、一般的に無機顔料を選ぶ人が多いです。着色料を選ぶときは、色落ちしないものを選ぶようにしましょう。有機染料、特にアミン系染料は退色しやすいので注意が必要です。
第二に、宝石内部の特定の元素と化学的に反応することができるか、宝石の材料の細孔に吸着することができる着色剤を選択します。一般的な染料には、クロム塩、鉄塩、マンガン塩、コバルト塩、銅塩などがある。
着色溶剤に関する要求事項
染料（着色料）による染色には、油染めと水染めの2種類がある。油染めは染料を溶かすために様々な油を使用し、水染めは顔料を溶かすために水やエタノールなどの極性分子を溶媒として使用します。染色の際には、染料（顔料）の種類や宝石素材の吸着能力に応じて、適切な溶剤を選択することが重要です。
- 溶媒として無極性分子オイルを使用することをオイル染色と呼ぶ。カラーオイル（有機染料を溶かすオイル）は、ルビーやエメラルドを浸すのによく使われ、カラーオイルが宝石のクラックに浸透するようにします。
- 水染めは主に無機顔料に用いられ、顔料を水やアルコールに溶かして飽和溶液を作り、前処理した宝石を浸します。浸漬時間は通常、油染めよりも長く、染料と反応する化学薬品を使用して希望の色に再処理することもある。例えば、メノウを染色する場合、化学反応を誘発するために異なる化学試薬を選択し、その結果生じる沈殿物が宝石のクラックに浸透し、染色後の色を安定させる。
(2) 宝石の染色効果に影響を与える要因
宝石の素材と染料を考慮するだけでなく、染色前の宝石の酸洗い処理、染色時の加熱温度、染色時間など、その他の要素も考慮しなければならない。
酸洗浄処理
宝石材料を染色する前に、酸洗いは、宝石の表面から黄色、茶色、および他の混合色を除去し、表面を清潔に保つために必要である。酸洗いの後、宝石を中和するために特定のアルカリ溶液を選択する必要があります。化学反応による染色法を選択する場合は、沈殿の生成に必要な条件を考慮しなければならない。酸洗いの後は、オーブンまたは風乾で乾燥させてから、さらに処理する。
加熱温度と染色処理時間
染色工程では、一般的に宝石のクラックへの染料の浸透を促進するために加熱が使用されます。加熱温度と染色処理時間も宝石の最終的な色に影響する。加熱温度が高いと反応速度が速くなり、染色時間が短くなります。逆に、加熱温度が低いと、より良い染色効果を得るために長い時間が必要になります。
染色と着色処理工程は簡単で、操作が簡単で、広く使用されている。クラックのある単結晶宝石、ルース構造の多結晶または隠微結晶宝石材料に適用できる。一般的に染色・着色される宝石には、ルビー、エメラルド、メノウ、カルセドニー、ネフライト、秀巌翡翠、翡翠石、真珠、象牙、オパール、珊瑚、水晶石、トルコ石などがある。
(3) 染色宝石の識別特性
染色された宝石は鮮やかな色をしており、拡大するとクラックに沿って、あるいは粒子と粒子の間に色が見え、密な構造では色が薄く、ゆるい構造では色が濃くなる。例えば、染色されたルビー（図4-2）は、拡大鏡で見るとルビーのクラックに色が集中しており、色の境界現象が明瞭である。
2.漂白
漂白は一般的に、翡翠や、翡翠石、真珠、珊瑚のような、表面に多くの色の変化を持つ有機宝石に使用される。漂白剤は、一般的に塩素ガス、次亜塩素酸塩、過酸化水素、亜硫酸塩を含む。また、日光に当たると、ある種の宝石が退色することがあり、これは日光による漂白作用である可能性があります。過酸化水素と次亜塩素酸塩は、宝石の最適化プロセスで一般的に使用される漂白剤です。過酸化水素と太陽光は、天然真珠や養殖真珠の漂白によく使用され、特に黒ずんだ真珠や緑がかった真珠を白くし、高品質の天然真珠に近づけることができます。過酸化水素と次亜塩素酸塩は、ジェダイト（図4-3）のような翡翠の漂白によく使用され、漂白後、表面の黄色や茶色の色調を取り除き、ジェダイトの緑色をよりよく見せることができます。
漂白処理後の翡翠は構造が損傷しているため、一般的には注入・充填して構造を緻密で安定したものにする必要がある。真珠や珊瑚のような有機宝石は、漂白後に充填処理をしなくても販売でき、色も非常に安定している。漂白処理は最適化とみなされ、宝石を販売する際に表示する必要はない。漂白に使用される宝石は、翡翠石、ネフライト、秀巌翡翠、水晶石、真珠、珊瑚、カルセドニー、珪質木、タイガーアイなどである。
ブリーチング処理後の宝石は、拡大するとオレンジピールや溝のような構造を示し、研磨面には細かいマイクロクラックが見られ、内部構造は緩く、不純物のないきれいで明るい色をしています。フィリング処理は、宝石の構造を安定させるために、ブリーチ処理後にしばしば行われます。
3. 射出充填
インジェクション・フィリングとは、一定の技術的手段を用いて、宝石のクラックに液体物質を注入する処理方法を指す。主に、構造的に緩い、または多くのクラックを含む宝石材料に適しており、無色オイル、着色オイル、樹脂、ワックス、またはプラスチックなどの材料で宝石のクラックや孔を充填し、その構造をより強固にし、宝石の安定性を向上させ、または宝石の色を変更します。注入充填は無色と有色に分けられ、主な目的は以下の通りである。
(1) クラックをカバーする
天然宝石は、産出時に多くのクラックを含むことが多い。多数のクラックの存在は、宝石の外観と安定性の両方に影響を与える。このクラックは、無色のオイルなどを宝石素材のクラックや孔、粒間の隙間に注入することで隠すことができ、目立たなくして使用性や経済的価値を高めることができる。例えば、天然のエメラルドやルビーには多くのクラックが含まれていることが多いが、無色や有色のオイルを注入することで、色見を改善することができる。
(2) 宝石の安定性を高める
ターコイズやエメラルドなど、構造的にルースな宝石には、注入して気孔を埋め、より堅固にして硬度と安定性を高める。
(3）宝石の色の明るさと経済的価値を向上させる。
色の薄い宝石の場合、カラーオイルやカラーワックスなどを注入することで、宝石の構造が強化されるだけでなく、宝石の色も濃くなる。
ターコイズの細孔に着色物質を注入したとする。その場合、硬度を高め、光の散乱を抑え、色を濃くし、硬度を大幅に向上させることができる。
インジェクション充填法で改善できる宝石には、ルビー、サファイア、エメラルド、トルコ石、ラピスラズリ、オパール、ベリル、水晶、ヒスイなどがある。
注入充填後の宝石は、拡大すると充填位置の透明度と光沢が低下していることがわかる。例えば、無色のオイルを充填したエメラルド（図4-4）は、充填部位の透明度と光沢が天然のエメラルドに比べて著しく低下している。着色オイルを充填すると、クラックの色が濃くなる。充填部には気泡が見られ、赤外分光法では充填材の特徴的な赤外吸収スペクトルが見られ、屈折率や密度は天然宝石より低い。
セクション II 宝石の物理的処理方法
宝石の物理的な処理方法も広く使用されており、結合、スプライシング、および全体的な印象を作成するための他の技術を通じて他の材料と宝石を修正することを指します。一般的な物理的処理方法には、表面コーティング、メッキ、包被、積層、裏打ち、スプライシングなどがある。
1.表面コーティング
宝石の表面や底に着色箔（「箔処理」とも呼ばれる）の層を適用したり、宝石のファセットの全部または一部に塗料をコーティングとして使用すると、その色を変更し、その結果、その外観を変更します。例えば、最も簡単なコーティングは、ダイヤモンドの表面に青いインクで印をつけるもので、インクの色によってダイヤモンドの外観を向上させることができる。ライトイエローのダイヤモンドの底にブルーの膜を貼ることで、カラーグレードを高めることができます。この処理方法は、ダイヤモンド、トパーズ、水晶、珊瑚、真珠によく用いられます。
現在一般的なコーティング方法は、無色または淡色のトパーズや水晶の上に着色コーティングの層を塗布することで、様々な色の外観を作り出すことができます。ほとんどの場合、追加された色は宝石の表面にのみ存在する。このコーティングが施された宝石は、コーティングされた表面が底面とは異なる色を呈することが多いため、識別が容易であり、表面コーティングの硬度が低いため、多くの傷が見えることが多い。
2.表面めっき
科学技術の発展とともに、 表面 メッキ は次第に、無色または淡色の宝石の表面に着色膜を施し、宝石の色の見え方を変えることに発展してきた。この処理方法は、ダイヤモンド、トパーズ、水晶などによく使われる。ダイヤモンド・コーティングは、多くの場合、ダイヤモンドの上に非常に薄い人工ダイヤモンドの層を重ねたダイヤモンド・フィルムである。強い光沢と高い硬度のため、ダイヤモンドに非常によく似ている。淡い色のトパーズや水晶には金属酸化膜がコーティングされることが多く（図4-5）、表面に虹のような模様が現れる。それでも傷は拡大すると確認でき、時間の経過とともに表面が部分的に剥離することもある。
3.過成長
オーバーグロースは、合成または天然宝石の表面に合成法で成長した宝石の層を指します。このオーバーグロースの宝石の厚さは様々です。水溶液中で成長した宝石と厳密に区別することは容易ではありません。例えば、エメラルドやベリルの上に合成エメラルドの層が成長し、天然エメラルドと合成エメラルドの両方の特徴を示すことがあります。オーバーグロースの宝石を見分けるには、上層と下層の宝石の接合部分、色の違い、インクルージョンの特徴を観察する必要があります。
4.中間膜と基板
について インター層と基板は、様々な方法を使用して一緒に全体の宝石を形成するために結合され、天然宝石の外観、色、外観を向上させます。下地は主に、黄色味を帯びたダイヤモンドなど、色の薄い宝石の色を改善するために使用されます。下部に青色の下地の層を加えることで、ダイヤモンドのカラーグレードを高めることができます。例えば、上層に天然のライトグリーンのエメラルド、下層に無色またはライトグリーンのベリルを使用し、中間にグリーンの層を設けることで、エメラルドの色を引き立たせます。
5.コンポジット
コンポジットとは、複数の宝石や素材をさまざまな方法で組み合わせたもの。一般的なコンポジット・ストーンには、2層コンポジット・ストーンと3層コンポジット・ストーンがある。コンポジットは一般的な物理的強化方法であり、広く使用されている。コンポジット処理によって、宝石の色や外観を向上させることができる。一般的なコンポジット宝石には、エメラルド、ルビー、ガーネット、オパール、ダイヤモンドなどがある（図4-6）。コンポジット宝石の鑑別には、主に拡大検査を用い、宝石中のコンポジットシーム、異なる層間の色や光沢の違い、コンポジットシーム間の気泡に注意を払う。
セクション III 熱処理方法
熱処理は、宝石の最適化のために最も広く使われている方法の一つである。宝石は加熱を制御できる装置に入れられ、異なる加熱温度と酸化還元雰囲気の熱処理が選択され、宝石の色、透明度、透明度を向上させる。熱処理は、宝石の美的価値と経済的価値を高め、内なる潜在的な美しさを明らかにすることができるため、操作が簡単で広く受け入れられている宝石の最適化方法であり、最適化として分類される。宝石の命名法において、天然宝石名を用いて直接命名することができる。
1.熱処理設備
宝石に熱処理を施すには、まず宝石を加熱するための一定の設備が必要である。熱処理設備は、熱処理における役割から、主装置と補助装置に大別される。
1.1 主要設備
熱処理の主な設備は加熱装置であり、熱処理炉と加熱装置の2つに分類される。研究室で一般的に使用される熱処理炉には、通常の熱処理炉（抵抗炉、塩炉、燃料炉）、雰囲気制御炉、真空熱処理炉などがある。加熱装置には、レーザー加熱装置、電子ビーム加熱装置などがある。
補助装置には、制御雰囲気装置（ガス発生装置、アンモニア分解装置、真空装置など）、動力装置（配電盤、送風機など）、計測器（温度計、圧力計、流量計、自動制御装置など）、さらにルツボや洗浄冷却装置などが含まれる。
(1) 通常の熱処理炉
通常の熱処理炉は、主に熱処理に一般的に使用される抵抗炉、塩溶解炉、燃料炉などを指す。
抵抗炉
抵抗炉は発熱体（ワイヤー、炭化ケイ素、珪化モリブデン、酸化コバルトなど）で構成される。実験室でよく使用されるのは箱型炉と管型炉である。
- 箱型抵抗炉：箱型抵抗炉は箱型のチャンバーを持ち（図 4-7）、使用温度により高温、中温、低温に分類される。わが国で製造されている箱型抵抗炉は、低温用を除いて標準化されており、各種恒温箱が代用されている。
高温箱型抵抗炉は、主にコランダム、ルビー、サファイア、ジルコンなどの高融点宝石の色調改善に使用され、一般的な加熱温度は1000℃以上である。
中温箱型炉は、サファイア、トパーズ、水晶、タンザナイトなど、中低温の色調修正を必要とする宝石の熱処理によく使用され、熱処理温度は通常650℃～1000℃です。
低温熱処理炉は、主に真珠、珊瑚、オパールなどの有機宝石や構造中に水を含む宝石に使用されます。
箱型抵抗炉はシンプルな構造で操作しやすく、コストも安いため、研究室には欠かせない装置です。箱型抵抗炉の長所は、加熱温度が高いこと、内部空間が広いこと、一度に複数の試料を収容できることである。しかし、このタイプの熱処理炉には、熱効率が低い、加熱に時間がかかる、炉温にムラがあるなどの欠点があり、運転中に改善する必要がある。例えば、熱電界を測定し、特定の温度位置に試料を配置することで、温度ムラを克服することができる。
- 管状抵抗炉：管状抵抗炉は一般に高温耐火物（通常は99%アルミナ管）の周囲に抵抗線を重ねて使用し、セグメント単位で温度制御が可能です。アルミナ管の周囲に円形に配置された発熱体として炭化ケイ素棒を使用することもできます。管状抵抗炉は雰囲気制御が可能で、発熱体をケーシングで炉雰囲気から隔離し、必要に応じて異なる雰囲気（酸化性雰囲気や還元性雰囲気など）を導入でき、廃ガスは炉蓋の排気孔から排出される（図 4-8）。
管状抵抗炉の長所は、加熱速度が速いこと、細分化された温度制御が可能なこと、正確な温度制御が可能なことであり、短所は、扱える試料量が少ないこと、抽出が容易でないことである。
塩の溶解炉：
塩溶解炉は溶融塩を加熱媒体とする熱処理装置で、構造が簡単で、加熱速度が速く均一であることが特徴です。塩溶解炉の塩の溶解温度は150~1300℃で、塩溶液の組成によって異なり、一般的に宝石の低温、中温熱処理に適した加熱温度範囲を可能にする。欠点は、消費電力が大きいこと、処理後の試料の洗浄が困難であること、宝石に一定の腐食性と汚染作用があることです。一般的な塩溶解炉には、電極式と電熱式があります。
- 電極塩溶解炉：この電気炉は炉室内に電極を挿入し、低電圧大電流を流し、溶融塩に電流が流れる時、強い電磁循環を発生し、溶融塩の旋回を促進し、試料を加熱する。我が国の電極塩溶解炉は工業生産用の大型炉が多く、実験室には不向きである。研究室では、直列生産された塩溶解炉トランスを使用して小型炉を設計することができます。
- 電気加熱式塩溶解炉：この炉は、溶融塩を入れたるつぼと、るつぼを加熱する炉本体で構成される。熱源は電気エネルギーであることが多いが、他の燃料も使用される。化学成分によって自己着色した宝石の熱処理によく使われる。熱源の制約がなく、変圧器が不要なのが特徴だが、るつぼの寿命が短く、炉内の温度分布にムラがある。この種の炉はわが国でも多くの機種が生産されているが、宝石の最適化処理ラボに適しているのは一部の機種に限られている。
燃料炉
燃料炉は使用する燃料の種類によって固体燃料炉、ガス燃料炉、液体燃料炉に分類されます。また、加熱室の形状によってチャンバー炉、テーブル炉、ウェル型炉などに分けられます。最も一般的な固体燃料炉は、石炭を主燃料とする底部燃焼式チャンバー炉です。長所は構造が簡単で低コストであること、短所は温度均一性が悪く温度制御が難しいことです。
ガス燃料炉は可燃性ガス（石炭ガス、天然ガス、液化石油ガスなど）を燃料として使用します。可燃性ガスは空気と混ざりやすく完全燃焼するため、炉の温度は固体燃料炉よりも均一で、日常的な実験室での宝石加工に適している。しかし、炉内の温度測定の精度を向上させることができる。
液体燃料炉は燃料として軽油や重油を使用し、その構造はガス炉に似ている。両者の違いは燃焼装置の構造だけである。
(2) 制御雰囲気炉
酸素または還元性ガスを制御雰囲気炉に注入し、酸化または還元雰囲気を制御することにより、宝石の色および外観を改善する。制御雰囲気炉は通常、制御雰囲気作業炉と制御雰囲気発生装置の2つの部分から構成される。
制御された雰囲気の作業炉：
この種の炉は一般に抵抗炉を改良したもので、箱型炉も管型炉も制御雰囲気炉として使用できる。制御雰囲気炉は、抵抗炉の炉室内にガスを導入して密閉する制御雰囲気アタッチメントを追加することで形成できる。酸化、還元、中性などの熱処理雰囲気を制御するために一般的に使用される。導入される酸化性ガスには一般に酸素、空気などが含まれ、還元性ガスには一般にH2CO、N2CH4これらのガスの中には可燃性のものもあるため、運転中は特に注意が必要です。爆発を防ぐには、炉内を窒素ガスでパージするのが最良の方法です。2 (またはCO2)ガスを導入したり、炉を停止したりする前に、導入するガス量は一般的に炉室容積の4~5倍です。また、導入されるガスは CO 含有量が高い場合があり、作業者を中毒させやすいので、換気をよくし、炉本体とパイプラインの密閉性を定期的にチェックすることが重要です。排出された廃ガスは着火するか屋外に放出してください。
制御雰囲気発生装置
- 還元雰囲気発生装置（別名、吸熱雰囲気発生装置）：原料ガス（天然ガス、液化石油ガス、石炭ガスなど）と空気を一定の割合で混合する装置。外部熱源と触媒の作用により、不完全燃焼と一連の反応を経て生成される。生成されたガスは、厳格に制御され安定した良好な還元雰囲気となるが、設備構造が複雑で、コストも比較的高い。
- アンモニア分解発生装置：熱処理工程では、酸化雰囲気、還元雰囲気など、宝石の発色原因に応じて異なる雰囲気を導入する必要があります。一般的に使用される還元性雰囲気は、アンモニア分解発生装置によって実現される。
図4-9に示すように、アンモニアガスを窒素と水素に分解する装置を用いて還元性雰囲気を発生させる。アンモニアボトルから液体アンモニアが気化器1に流入し、加熱気化された後、反応槽2に入り、高温と触媒の作用で分解する。冷却されたアンモニア分解ガスは精製装置3で精製され、残留酸素と水蒸気が除去された後、熱処理炉に導入されて使用される。分解後のガスH2:N2 は3：1であり、これは還元雰囲気である。
(3) 真空熱処理炉
真空熱処理とは、真空（負圧）状態で試料の加熱や冷却を行う熱処理方法で、これに使用する炉を真空熱処理炉という。
真空熱処理は、ブラックキュービックジルコニアの処理など特殊な熱処理条件に使用され、真空炉内の温度も比較的高い。非発熱体の酸化が懸念されるため、アルミニウム、ウォルフラム、タンタル、グラファイト製品などの高温金属を発熱体として使用することができる。それでも、宝石の最適化プロセスでは、制御雰囲気炉に比べてあまり広く使用されていません。
(4) レーザー・電子ビーム熱処理装置
近年、レーザーや電子ビームによる熱処理技術が発展している。これらは、加熱速度が速く、高温で、酸化しないという特徴があり、特に局所的な熱処理に適している。しかし、この装置は加熱ムラがあり、冷却速度が速く、投資コストが高いため、宝石の熱処理では使用頻度が低く、ダイヤモンドの暗色内包物の処理に適用されることが多い。
電子ビームとは、加熱された陰極フィラメントから放出され、「陽極」によって加速され、磁気レンズによって集束された高エネルギー密度の電子ビームを指す。この電子ビームが試料の表面に接触すると、電子のエネルギーが即座に熱エネルギーに変換され、試料を加熱し、金属を溶かすことさえある。電子ビームを発生させる装置は電子ビーム銃と呼ばれる。この装置は一般に、宝石の熱処理を局所的に強化するために使用される。
1.2 熱処理の補助器具と装置
(1) 熱電対
熱電対は、温度測定において最も広く使用されている温度検出素子である。シンプルな構造で使いやすく、高い精度と安定性を持ち、温度測定範囲が広く、温度測定において重要な役割を果たしています。
熱電対の測定原理：
これは、化学組成の異なる2本の金属線（AとB）を接続して閉ループを形成するもので、熱電対である。これらのワイヤーの2つの接合部の温度が異なると、熱電ポテンシャルとして知られる起電力が回路内に発生する。
熱電対の熱電ポテンシャルの大きさは、導体の材料特性と 2 つの接合部の温度に関係します。導体材料が固定されている場合、2つの接合部の温度差が大きいほど、熱電ポテンシャルは大きくなります。温度は、熱電ポテンシャルの大きさを測定することで測定できます。
熱電対の構造と種類：
熱電対は、サーモス電極と呼ばれる2種類の導電線AおよびBから構成される。もう一方は基準端と呼ばれ、自由端または冷端とも呼ばれ、機器に接続されている。
熱端温度と冷端温度が異なる場合、熱電対によって生成された熱電位は、温度目盛りに従って計器によって表示または記録することができる。熱電対の概略図を図 4-10 に示す。
2本の熱電対素線は短絡を防ぐために絶縁チューブで覆われ、有害物質による腐食を防ぐためにセラミックまたは耐熱鋼のチューブで保護されている。熱電対の構造を図 4-11 に示す。
図 4-11 熱電対の構造
1-熱電対ワイヤー、2-絶縁チューブ、3-保護チューブ、4-ジャンクション・ボックス、5-補償リード・ワイヤー
熱電対補償線：
熱電対が発生する熱電ポテンシャルは、冷端が0℃に保たれているときのみ、熱端の温度を直接反映することができる。
しかし、熱電対の実用的な使用においては、熱電対自体の伝導熱と周囲の環境温度の影響により、冷端温度はしばしば変動し、測定器による正確な温度測定につながらない。
この影響を克服するために、熱電対の冷端をより温度が一定な場所に延長し、補償措置を講じることを可能にする補償線がしばしば使用される。
補償導線は化学組成の異なる一対の金属線である。0～100℃の範囲で接続する熱電対と同じ熱電特性を持つが、はるかに安価である。補償導線の接続を図4-12に示す。
補償電線は二芯、一本撚り、多芯があり、異なる色で内部の絶縁層を区別し、プラスとマイナスの極性を示す。使用する際には、各種熱電対の接続には対応する補償線を使用すること、補償線と熱電対の接続端の温度は100℃以下に保つこと、補償線を通して延長された新しい冷端は、定温または計算などの方法で補償すること、補償線のプラス端子は熱電対のプラス端子に、マイナス端子はマイナス端子に接続し、誤った接続を避けることなどに注意する必要があります。
(2) 放射温度計と光学式温度計
放射温度計：
放射温度計は、放射温度センサーと表示装置から構成されています。使用時には、接眼レンズを通して見える測定物の像がサーモパイルを完全に覆い〔図4-13 (a)〕、測定物から放射される熱エネルギーをサーモパイルが十分に受けるようにする必要があります。被測定物の像が小さすぎたり、傾いていたりすると、測定値は実際よりも低くなります。
光学式パイロメーター：
光高温計は携帯型の温度測定器である。一般的に使用されているのは、フィラメント消光型の光高温計である。光っている物体の明るさと温度には対応関係があるという原理で、明るさを比較して温度を測定する。
使用するときは、高温計を被測定物に向け、接眼レンズを前後に動かします。フィラメントの明るさが被測定物の明るさと同じになるまで、つまり被測定物の像の中にフィラメントの像が消えるまで、フィラメントの明るさを比較します［図4-14（b）］。
図4-14 光学式高温計の照準条件（Wu Ruihua, 1994）
(a)測定対象がフィラメントより明るければ、指示温度は低い。(c)測定対象がフィラメントより暗ければ、指示温度は高い。
(3) るつぼ
るつぼは、宝石の熱処理工程で一般的に使用される容器です。熱処理された宝石は高温で完成することが多く、るつぼに直接接触するため、るつぼの選択は熱処理を成功させるための重要な要因です。熱処理工程では、るつぼの選択は以下の条件を満たす必要があります：
るつぼの材料は、使用温度において十分な強度を有し、高温で長時間使用しても亀裂が生じないものでなければならない。
作業雰囲気下において、るつぼ材料は宝石に対して極めて安定でなければならない。また、宝石の結晶に有害な不純物が混入しないよう、るつぼ材料の純度には特に注意が必要です。
るつぼの材質は、るつぼが密閉された後も一定の圧力を維持できるよう、気孔率が低く、密度が高いものでなければならない。
るつぼは、宝石の熱処理に一般的に使用される容器であるため、加工が容易で安価であること。
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2.宝石を改善する熱処理の原理
天然宝石を一定の温度で加熱すると、その色、透明度、外観を向上させることができる。その主な理由は、熱処理によって宝石の構造と組成が変化し、それによって宝石の外観特性が向上し、美的価値と経済的価値が高まるからである。したがって、宝石の外観特性の変化を理解するためには、熱処理が宝石を改善する原理を分析する必要がある。
加熱とは、宝石の潜在能力を引き出し、その美しさを最大限に引き出すことです。処理された宝石は、天然宝石と比較して物理的および化学的性質に違いはありません。その原理は、加熱によって宝石に含まれる着色イオンの含有量や価数に変化が生じたり、何らかの構造的欠陥が生じたりして、色や透明度といった宝石の物理的性質に変化が生じるというものです。
微量元素の不純物を含むほとんどの宝石は、熱処理後に色または透明度が変化する。一般的に熱処理に使用される装置は、ルビー、サファイア、エメラルド、トルマリン、ジルコン、ヒスイ、メノウなど、ほとんどの全色宝石に適したシンプルで操作しやすいものです。この方法は、色が遷移元素成分または遷移元素不純物によって引き起こされる宝石に適用され、色の変化が電荷移動によって引き起こされる宝石にも適しています。例えば、琥珀は内部の気泡を取り除くことで熱処理後に透明でクリアになります。
宝石の物理的、化学的性質とその着色メカニズムによると、一般的に処理される宝石の原理は次のように要約されます：
(1) 熱処理によって宝石中の発色団イオンの含有量や価数を変化させる。
微量不純物イオンは、いくつかの宝石を着色し、熱処理を使用して、宝石の低価陽イオンを高価陽イオンに酸化し、宝石の色を変更します。例えば、赤メノウは主にFe3+.熱処理により、Fe 2+ に酸化される。3+鉄イオンの含有量と比率を高めることで、メノウの赤色を強める。ルビーやレッドジェダイトの熱処理も、この原理によって宝石の色調を強める。緑色を帯びたアクアマリンも、熱処理によって緑色を取り除き、青色を強調することができる。図4-15は、アクアマリン(a)が熱処理によって青みが著しく濃くなり、緑色が弱まっていることを示している。
(2) 熱処理によって有機宝石の組成を変えること。
真珠、象牙、珊瑚、琥珀などの有機宝石の場合、熱処理はその中の有機物を酸化させる。温度が高すぎると、有機物の "炭化 "現象が起こり、黒く着色することがある。このタイプの熱処理は、宝石業界で「古代のヒスイ」を模倣することができ、一般的に「老化」処理として知られ、しばしば色焙焼と呼ばれ、琥珀、珊瑚、および他のために頻繁に使用されます。
(3)熱処理による色中心の生成
いくつかの宝石の色は、主にカラーセンターによるものです。宝石は、熱処理によって特定の光を吸収して発色するカラーセンターを生成することができます。熱処理は通常、不安定な色中心を除去し、安定した色中心を保持するために、宝石の照射処理の後に適用されます。例えば、熱処理されたトパーズは、不安定な茶色の色中心を除去し、安定した青色の色中心を保持します。宝石の色を改善する目的は、加熱温度と熱処理の時間をマスターすることによって達成することができます。アメジストが黄色や緑色に変色したり、スモーキークォーツが黄緑色や無色に変色したりするのも、熱処理で色中心を変化させた結果です。
(4)熱処理は、脱水効果によって含水宝石の色の変化を引き起こす。
宝石の中には、吸着水と構造水を含むものがあります。宝石の中には、構造水にダメージを与えることなく、熱処理によって色を向上させることができるものがある。例えば、ベリルには構造水が含まれており、鉄やマンガンを含むオレンジイエローのベリルは、熱処理によって美しいピンクのベリルに変化する。オパールは構造水を含んでおり、300℃前後に加熱すると水分が失われ変色効果がなくなる。タイガーアイは熱処理によって構造水を失い、深い褐色や赤褐色になる。
(5) 熱処理による結晶構造の変化
熱処理は結晶の内部構造を再編成し、結晶化度を向上させるため、結晶の色に影響を与える。一般的なジルコンの種類には、低タイプジルコン、中タイプジルコン、高タイプジルコンがある。熱処理によって、低タイプのジルコンは中タイプのジルコンに、中タイプのジルコンは高タイプのジルコンなどに変化することができる。同時に結晶の色も変化し、異なる雰囲気下では異なる色に変化します。例えば、還元条件下では、熱処理により茶褐色のジルコンを改善し、無色のジルコンに変えることができる。
(6) 熱処理は宝石のシルク状インクルージョンとスターライト効果を向上させる
サファイアなどの一般的な宝石は、チタンイオンをルチル（TiO2)、白い絹や星の効果を生み出す。ルチルの形成は、宝石が形成されたときの地質学的条件に支配される。天然サファイアの中には、スター線の分布が不均一で、スター効果が乏しいものがあります。熱処理によって、サファイアのルチルは溶けて再配列することができ、それによって天然宝石のスターライト効果を改善することができます。合成宝石のスターライト効果もこの原理を利用して生み出される。
3.熱処理条件
熱処理工程では、加熱速度、実験条件下での最高到達温度、保持時間、冷却速度、加熱炉内の雰囲気や圧力など、さまざまな要素をマスターする必要がある。これらの条件を総合的に考慮する必要がある。
(1) 高温への加熱速度
ほとんどの宝石は熱伝導率が悪いため、熱処理中の加熱速度は、宝石の内側と外側の大きな温度差によって引き起こされるクラックを避けるために、少し遅くすることができます。加熱速度を曲線でプロットした場合、それは処理された宝石の加熱曲線を表し、滑らかさが要求されます。つまり、宝石のひび割れを防ぐためには、加熱の大部分をゆっくりと行う必要があります。
(2) 熱処理中に到達した最高温度
熱処理中に到達する最高温度は、宝石の色や透明度を向上させることができる最高温度であり、処理された宝石の色や透明度を変化させる最適な温度でもある。これは繰り返し探求する必要がある最も重要な条件である。
(3) 保持時間
宝石が最高温度に維持される時間。一般に保持時間と呼ばれ、温度曲線は直線的で一定している。宝石全体が安定して均一であることを保証するために、多くの場合、均一な内部変化を可能にするために一定期間保持する必要があります。最適な保持時間は、広範な実験を通じて決定されなければならない。
(4) 冷却曲線
最高温度からの冷却速度と冷却中に維持される温度の勾配は、冷却曲線として知られている。ほとんどの場合、冷却は宝石のひび割れを防ぐために比較的ゆっくり行われるが、コランダムの針状内包物を除去するためなど、急速冷却の特別な要求がある場合もある。珪岩や蛇紋岩のヒスイは、染色前にひび割れ模様を作るために急速冷却が必要な場合もある。
(5) 炉内の雰囲気
炉内の雰囲気とは、熱処理過程における酸化還元条件の制御や、有用成分による焙煎を指す。実験によっては、焙焼のために化学薬品を添加したり、特定の液体試薬に浸した試料を加熱したりする必要がある。例えば、ルビーの紫色をなくすには、鉄を酸化させる必要がある。2+ をルビーからFe3+ 例えば、メノウの赤色燃焼は、Feを酸化させる。2+ メノウ中のFe3+ を酸化性雰囲気のもとで、メノウの赤色を引き立てる。
(6) 炉内圧力
宝石の熱処理実験には、一定の圧力制御が必要なものがある。例えば、ダイヤモンドの熱処理では高圧を用いることが多いが、ルビー、アクアマリン、メノウなどの一般的な宝石の熱処理は常圧条件下で行われる。実験の際には、宝石の種類によって必要な圧力条件が異なるため、常圧、減圧、高圧のいずれを使用するかを検討する必要があります。
宝石の熱処理では、この6つの因子を実験で繰り返し探りながら求めていく。宝石の種類によって実験条件は異なる。宝石の熱処理条件のうち、加熱速度、冷却速度、最高到達温度、保持時間の決定が最も重要である（図4-16）。熱処理時の加熱と冷却はともにゆっくり行わないと、クラックが発生して宝石の品質が低下する恐れがあります。これらの要素の最適な組み合わせは、特定の工程で達成できることが多い。
改良された宝石は、異なる産地の天然素材であったり、異なる不純物成分を含んでいたり、異なる歴史を経ていたりする。歴史的環境や地質学的条件は非常に複雑であり、同じように見える宝石でも熱処理方法が大きく異なる場合がある。しかも、ほとんどの熱処理工程は極秘にされており、既製の実験条件はなく、自分で探さなければならない。
例えば、同じ褐色がかった黄色のサファイアでも、同じ熱処理を施すと海南産は青くなり、山東産はオレンジがかった黄色になる。海南産のサファイアは青く、山東産のサファイアはオレンジイエローになる。すべてのサンプルで、素材にダメージを与えないように注意しなければならない。
熱処理による宝石のひび割れを防ぐには、昇降温条件を厳密に管理することに加え、ひび割れの拡大を防ぐ必要がある。具体的な方法としては、熱処理前にクラックのある部分を適切に除去し、加熱後に再研磨を行うことである。原石は、クラックのない小さな原石であれば加熱することができる。
4.熱処理における熱効果
熱処理における熱影響には様々なものがある。しかし、一般的な宝石の中で、宝石素材に最も重要な熱影響は、アメリカの学者ナッソーがまとめた表4-1の9種類である。
表4-1 熱影響のメカニズムと例
| 効果 | メカニズム | 例 |
|---|---|---|
| 暗転 | 空気中でゆっくりと酸化して黒くなる | 「琥珀と象牙の "エイジング |
| カラーチェンジ | カラーハートの破壊 | ブルーまたはブラウン・トパーズは無色に、ピンク・トパーズは黄色に、アメシストは黄色または緑色に、スモーキー・クォーツは黄緑色または無色に変化する。 |
| カラーチェンジ | 水分補給や結露による変化 | ピンク・カルセドニーはオレンジ、赤、褐色に変色し、タイガーアイは深い褐色から赤褐色に変色する。 |
| 均質な多面体 | 放射線による構造変化 | "低タイプ "ジルコンが "高タイプ "ジルコンに変化 |
| カラーチェンジ | 酸素濃度に関連した大気の変化 | 緑色のアクアマリンは青色に、アメシストは濃い黄色のトパーズに、無色、黄色、緑色のサファイアは青色に、茶色や紫色のルビーは赤色に変化する。 |
| 構造的な変化。 | 温度変化、結晶の析出や融解。 | コランダムのシルキー効果やスターライト効果の発生または除去。 |
| カラーオーバーレイ | 不純物の拡散 | サファイア表面の青色と星状の拡散 |
| 骨折 | 急激な温度変化、内部構造破壊 | サファイアの内包物の周りの "光輪"、クォーツの "爆発" |
| 再生と浄化 | 熱と圧力下のレオロジー | 琥珀の再生と精製、べっ甲の再生 |
表4-1では、完全に可逆的または準安定的な熱効果は省略している。例えば、ルビーは赤熱すると緑色になり、室温まで冷やすと元の色に戻る。スモーキークォーツは加熱すると青緑色になり、室温まで冷やすと黄色に戻る。
表4-1の暗色化効果は、琥珀や象牙を「熟成」させるために使われることがある。この効果は、ゆっくりとした炭化のプロセスに相当する。研究によると、琥珀は暗い貯蔵室に置かれたときでさえ黒くなり、有機物が酸化されやすいことを示している。したがって、ゆっくり加熱している間に酸化が早まると考えるのは妥当である。
表4-1は、加熱によるカラーセンターの損傷が、宝石の色の退色や消失につながることを示している。例えば、ブラウン・トパーズ、イエロー・サファイア、レッド・トルマリンはいずれも加熱処理により無色になることがあり、アメシスト、シトリン、スモーキー・クォーツの一部も無色になることがある。
カラーセンターの破壊は、時として色の変化をもたらすことがある。例えば、放射線を照射したブラウン・トパーズは、熱処理後に青色に変色することがある。アメシストは、熱処理温度を制御するとシトリンになり、特定のブラウン・トパーズは、熱処理後にピンク色に変色することがある。これらの色の変化は、放射線処理によって元の色に戻すことができます。
表4-1に示すように、水和や凝縮による色の変化は、一般に鉄などの不純物が関与している。リモナイトを加熱すると、濃いオレンジ色、褐色、赤色のヘマタイトが得られる。
メノウ、カルセドニー、タイガーズアイなど、灰色から黄色、褐色までの鉄を含む石英の中には、加熱することでこの原理に基づく深みのある褐色から赤褐色を呈するものがある。
表4-1の均質多結晶体は、均質多結晶体が熱処理条件下で変質することにより、宝石の構造が変化したものである。例えば、グラファイトは高温高圧下でダイヤモンドに変化し、「ロータイプ」のジルコンは高温で「ハイタイプ」に変化する等である。
環境中の酸化性または還元性雰囲気の変化による表4-1の宝石の色の変化は、主に環境中の酸素濃度と関係している。例えば、緑色のアクアマリンは還元条件下で青色に変化し、アメシストは酸化条件下で濃いシトリンに変化し、無色、黄色、緑色のサファイアは酸化条件下で青色に変化し、茶色や紫色のルビーは赤色に変化する等である。
表4-1の構造変化は、宝石の物理的光学効果につながる。例えば、熱処理条件下では、スターライトサファイアのルチル包有物が溶融し、スターライト効果が消失する。冷却するとルチル結晶が析出し、スターライト効果が再生する。
表4-1の色の向上は、宝石の色を濃くする着色イオンの添加によるものである。例えば、拡散サファイアでは、鉄やチタンなどの着色イオンの添加により、淡色サファイアの色が濃くなる。
表4-1の割れとは、サファイアの内包物の周囲に発生する応力線や、人工的に熱処理された石英岩に焼入れ条件下で発生する割れパターンなど、熱処理条件下での宝石の内部構造の変化である。
表4-1の再生・精製は、熱と圧力下での気液相互作用による内部変化である。例えば、熱処理条件下では琥珀内部の気泡が破裂して透明度が増す、熱水条件下では亀の甲羅が再生するなどである。
5.酸化還元とガス拡散
宝石の熱処理のプロセスにおいて、酸化還元条件は非常に重要であり、宝石の熱処理を成功させる重要な要素です。熱処理中の酸化雰囲気または還元雰囲気をコントロールすることで、宝石の色を変えることができます。熱処理中の酸化性または還元性の雰囲気は、宝石の温度とその温度での容器内の酸素濃度に関連しています。
(1) レドックス
標準酸素分圧（Po2) :酸素を含む宝石を空気中で加熱すると、宝石は大気中の酸素と同じ濃度で安定する。この濃度は、その温度における宝石の標準酸素分圧である。
酸化性雰囲気中では、炉内の酸素分圧は、同温度における同宝石の標準酸素分圧より大きい。2.
還元性雰囲気では、炉内の酸素分圧は002以下である。
空気を使うだけでなく、強酸化雰囲気では純酸素を使う。圧縮空気で酸素濃度を高めることもある。化学的に不活性な気体（窒素など）は一般に中性とみなされ、中性の大気を形成する。大気を希釈して酸素含有量を減らすことができれば、還元能力は非常に弱いが、還元性ガスとみなすこともできる。
同様に、燃料を燃やすことによっても大気を改善することができる。例えば、天然ガス、プロパン、ガソリンなどを使用し、吹き込む空気や酸素の量をコントロールすることで、炭素の削減が可能だが、これをコントロールするのは容易ではない。
もう一つの滴下保護雰囲気は、炉内に直接有機液体を滴下し、酸素と反応させて雰囲気を制御するものである。
(2) ガス拡散
酸化還元反応は、気体の拡散によって達成される。酸化還元反応が試料全体に作用するためには、酸素が一定の経路で、通常は1cm以上の距離にわたって宝石試料の内部に拡散しなければならない。拡散温度は1000℃以上、時間は数時間かかる。
酸化物宝石の構造の特性により、酸素は所望の効果をもたらすために全距離を移動する必要がないため、この拡散を迅速に起こすことができる。例えば、図4-17に示すコランダム酸化アルミニウムの酸素空孔への大気中の酸素の拡散過程。
6.熱処理方法の分類
熱処理の種類と方法によって、3つの一般的な熱処理方法がある：
(1) 通常の熱処理方法
通常の熱処理では、宝石を直接加熱することで、着色イオンの含有量や価数状態を変化させます。時には、結晶の内部構造欠陥を変化させ、色や透明度などの宝石の物理的特性を変化させることもあります。
例えば、スリランカ産の乳白色、茶色、淡黄色のグーダはサファイアに、アクアマリンは緑からアクアマリンブルーに、タンザナイトは熱処理によって青に変化する。
(2) 化学試薬焙焼法
化学試薬焙焼法は拡散法とも呼ばれ、化学試薬を使用して宝石の表面の結晶構造を破壊し、表面層の化学組成を意図したように変化させることを指します。宝石内の着色イオンはまた、表面層を介して交換することができ（外側または内側に拡散）、価数状態または含有量の変化をもたらす。
国際市場で人気のあるディフュージョン・サファイア、ディフュージョン・トパーズ、ディフュージョン・トルマリンなどは、この方法で得られたものである。この方法で改良された宝石は、暗い宝石を明るくしたり、薄い灰色の宝石を青い宝石に変えたりすることができる。
(3) 溶融塩電解法
溶かした塩を混ぜた後、黒鉛るつぼに入れて電気分解を進めてください。白金（Pt）ワイヤーを陽極として使用し、宝石サンプルを白金ワイヤー陽極で包むことで、宝石が陽極となり、黒鉛るつぼが陰極となります。
炉で電解液が溶けた後、図4-18に示すように、陽極と宝石を一緒に電解槽に入れて電解する。制御槽電圧は3.0Vに設定し、電解時間は40～45分とする。その後、陽極と試料を取り出します。電気分解により、宝石中の着色イオンの価数や含有量が変化し、宝石の色や透明度が変化します。この方法の欠点は、溶融塩が不適切に選択された場合、それは宝石に過度に腐食性である可能性があることです。
図4-18 溶融塩電解実験の模式図
1-熱電対；2-黒鉛るつぼ；3-白金陽極および試料；4-電解液；5-アルミニウム融液；6-直流電源
7.宝石の状態を改善するための一般的な熱処理方法
熱処理による改善に適した宝石の種類は多く、必要な熱処理温度は宝石によって異なる。例えば、サファイアは一般に1300℃以上の高い熱処理温度が必要で、ルビーは1000℃前後と比較的低い熱処理温度が必要で、アクアマリン、水晶、カルセドニーなどは700℃前後が必要である。管理温度は大きく分けて、弱熱200～400℃、中熱400～700℃、強熱800～1300℃、強熱1300℃以上の4区分がある。一般的な宝石の熱処理条件を表4-2に示す。
表4-2 一般的な宝石の熱処理条件
| ジェムストーン | 熱処理の目的 | 最終カラー | 温度 | 使用方法 |
|---|---|---|---|---|
| ルビー | 混合色（茶色、紫）を除去し、糸状物質を排除または減少させ、透明度を上げる。 | レッド | 1000℃前後 | しばしば |
| ブルーサファイア | 鉄とチタンを含むコランダムの色を濃くし、コランダムの深い青を薄くする。 | ブルー | 強い熱 | しばしば |
| イエローサファイア | 適切な淡色または無色の鉄含有コランダムの加熱 | ディープイエロー | 高熱 | しばしば |
| 様々な色のサファイア | 繊維状 "または "星状 "の介在物を除去するために適切なコランダムを加熱する。 | 増加 | 強い高熱 | しばしば |
| 拡散する星の光 ルビー、サファイア | 不純物は加熱によって宝石の表面に拡散する（TiO2 )、星の光を提示する | ルビー、サファイアのスターライト | 最初に強火、次に長時間強火 | あまり使われない |
| ルビーとサファイアの拡散 | 着色イオンは加熱によって宝石の表面に拡散し、色を呈する。 | 様々な色のコランダム | 強い熱 | ブルーによく使われる |
| アクアマリン（無色または緑） | グリーンのイエロートーンを除く | シー・ブルー | 微熱 | よく使われる |
| オレンジ・イエロー・ベリル | グリーンからイエローを除く | 鮮やかな赤 | 弱火 | あまり使われない |
| ディープブルーまたはグリーントルマリン | 色が明るくなる | 青または緑 | 中火 | よく使われる |
| ダークレッドトルマリン | ブラックトーンの除去 | ピンク | 弱火 | よく使われる |
| スモーキー・グリーン・トルマリン | ブラウントーンの除去 | ブライト・グリーン | ローヒート | よく使われる |
| スモーキークォーツ | 色が明るくなる | 白または黄色 | 弱火 | よく使われる |
| アメジスト | ブラウン暖房 | オレンジイエローまたはグリーン | 弱火 | よく使われる |
| グリーンまたはブラウンのジルコン | ブラウン・トリートメント | 無色または青色 | 高熱 | よく使われる |
| アゲート、カルセドニーなど | 鉄イオンの品種 | レッド | 中・高熱 | よく使われる |
| アイリスクォーツ | 加熱された水晶の急冷 | 様々な色に染めることができる | 中火 | 使用量を減らす |
| タンザナイト | 加熱すると透明なゾイサイトが青く変色する。 | パープル・ブルー | 中火 | 広範囲 |
セクションIV 放射性照射法
照射 とは、放射線源から微小粒子が空間内を四方八方に伝播する過程で、物質の物理的・化学的性質に変化をもたらすことができる。ここでは主に、放射性物質照射に必要な装置、注意事項、照射後の宝石の色中心の生成・消失過程について紹介する。
1.照射線と放射線源の種類
A 線源 とは、電離放射線を発生させることができる物質または装置のことである。一般的な放射線源には以下のようなものがある：
(1) 放射性元素から放出される放射線
放射性元素は崩壊によってβ線やγ線を放出するが、その中でも主に7種類の元素が宝石の照射処理に利用されている。例えば、放射性同位元素の 60Coは1.17MeVと1.33MeVの2種類のγ線を放出し、半減期は5.3年である。 137Ceや使用済み核燃料もγ線源として使用できる。
放射性元素が崩壊すると、エネルギーが近い2つのγ線を放出することができる。γ線は透過力が強く、宝石の色を変えることができる。半減期が長いため、照射治療に長期間使用できる。
(2) 電子加速器から発生する光線
アン 電子加速器 電子加速器とは、電磁場を通して荷電粒子を高エネルギーまで加速する電気装置である。電子加速器は主に電磁場を通して非常に高いエネルギーを得ることができ、電子加速器の種類によって、電子静電加速器、X線管、マイクロ波電子加速器など、数メガ電子ボルトから300MeVまでの電子ビームを生成することができる。
(3) 原子炉から発生する放射線
A 原子炉 とは、核変換によって電離放射線を発生させる装置または材料のことである。原子炉で生成される中性子は一般的に宝石照射に使用され、一般的な反応はα粒子とベリリウム( 9プラスになる 4彼→次のようになる。 12C + n) )。したがって、天然のα粒子線源とベリリウム粉末を混合すると、0〜13MeV付近に分布するエネルギーを持つ中性子源を得ることができ、最も多い中性子エネルギーは約4MeVである。したがって、宝石を照射処理する場合は、原子炉の核分裂過程を中性子源とするのが最適である。
2.宝石を照射するための一般的な装置
一般的な照射装置には、原子炉、電子加速器、コバルト源照射装置などがある。宝石の種類によって使用される照射装置は異なる。
(1) 原子炉
一般的に使用されているのは研究用原子炉で、原子炉部品の放射能を利用して宝石に照射することができる。一般的な研究炉には4つのタイプがある：重水研究炉（HWRR）、スイミングプール炉（SPR）、ミニ中性子源炉、高速中性子源炉である。ミニ中性子源炉は一般的に宝石照射処理には使用されません。
宝石のサンプルは、照射のためにリアクターに入れられ、照射時間と照射量は希望する色の改善によって決定されます。一般的に使用されるリアクターには、以下のタイプがあります：
重水研究炉(HWRR)
重水研究炉は、同位体照射、燃料・材料試験、単結晶シリコンの中性子ドーピング、原子炉内での中性子放射化分析、電子デバイス改造のための照射、さまざまな物理研究を行うための装置である。宝石の照射は、重水炉が開発した応用分野のひとつに過ぎない。重水炉によってパラメータは異なる。
スイミングプール原子炉（SPR）
スイミングプール用リアクターは、高フラックス、フレキシブルなレイアウト、低い水中照射温度などの利点があり、広く使用されている。科学研究だけでなく、農業、医療、航空、エレクトロニクスなど、宝石や淡水真珠、電子機器などへの照射技術を提供できる。
高速中性子炉
高速中性子炉は比較的先進的なタイプの原子炉である。核燃料の利用率は非常に高く、60%-70%に達しますが、私たちの加圧水型原子炉のウラン燃料の利用率は1%-2%に過ぎません。高速中性子炉は、加圧水型原子炉で生産された工業用プルトニウム239を初期装荷として使用し、核分裂性のないウラン238を核分裂性のあるプルトニウム燃料に変換するもので、中性子増殖炉としても知られています。
(2) 電子加速器
電子加速器は物理学において幅広い用途がある。静電加速器は宝石の照射によく使われる。
高電圧乗算器
高電圧増倍管は、主に核データ測定、中性子・荷電粒子核反応、中性子放射化分析、電線・ケーブルの改質、食品や果物の保存など、様々な材料への電子線照射に使用される。
その加速粒子には陽子、水素、酸素、窒素などが含まれる。5keV以下の入射では、N+ は材料特性を変えることができる。
電子線形加速器
電子線形加速器は、過渡照射効果の研究、半導体材料（宝石を含む）の照射改質、食品保存などに使用される。高エネルギー（10～14MeV）と高浸透率が利点である。
静電加速器
加速できる粒子は陽子、重陽子、ヘリウム、電子、酸素、窒素など。エネルギー範囲は調整可能で、主に核データ測定、中性子・荷電粒子核反応実験、電子ビーム照射、イオン注入などに使用され、真珠のような表面改質された宝石への照射にのみ適している。
サイクロトロン
サイクロトロンは固定エネルギーの加速器で、主に荷電粒子核反応を伴う実験や荷電粒子の放射化分析、物質特性の検査に使われ、まれに宝石研究にも応用される。
(3) コバルト源照射装置
コバルト線源照射装置は、放射性同位元素から放出される放射線を利用する装置である。 60物質（鉱物、結晶、有機物、生物など）に対する放射線の影響を研究し、これらの物質に対する照射処理を行うために、コバルトと7つの光線を使用する。
この照射源はエネルギー消費量が少なく、汚染が少なく、放射性残留物がない。早くから宝石の照射に応用されており、特にスモーキークォーツの照射に適している。
3. 照射技術
宝石を照射する場合、宝石はリアクターの物理的中心にあるサンプルボックスに入れられる。試料箱はモーターで連続的に回転させ、試料を冷却するために水の出入口を設け、水温が50℃を超えないようにする。照射装置とプロセスを図4-19に示す。
照射プロセスにおいて、適切な色合いで均一な色の宝石を得るためには、宝石を照射する際に以下の4つの重要な技術的課題を遵守しなければならない：
(1) 製品の色を均一にするためには、均一な照射が必要であり、照射中に宝石を一定の速度で回転させるか、何度も反転させる必要がある。
(2) 照射中の過度の温度による試料の割れや過熱を避けるため、適切な冷却手段を講じる。これには、循環冷却水を加えたり、定期的に試料を空冷する方法がある。
(3) 十分な照射量で色の濃さをコントロールすること。より深い色が必要な場合は、繰り返し照射する必要があります。照射量が飽和する前は、宝石の色の濃さは照射量に比例し、照射時間が長いほど宝石の色は濃くなります。
(4) 照射によって改善された色は、光や熱にさらされると不安定になり、退色しやすくなることがある。低温加熱法は、不安定な色中心を除去し、安定な色中心を保持することができる。しかし、低温加熱後に色の変化が生じることが多い。例えば、トパーズは褐色から青色に、水晶は褐色から黄色に変化することがある。加熱温度のコントロールが悪いと、完全に退色して照射前の色に戻ってしまうこともある。
4.照射中の色中心の形成と除去
照射によって無色の結晶に空孔が生じ、スモーキーな色や紫色を呈することがある。照射後に結晶に形成される色と深さは、結晶に含まれる不純物の種類と含有量に依存する。無色結晶にAl3+ 不純物を含むと、照射後に煙色から黒色に変色する。3+ 不純物があると紫色に変色する。
照射後の色の濃さは、宝石に含まれる不純物の含有量に関係する。不純物の含有量が多いほど色が濃くなり、不純物の含有量が少ないほど色が薄くなります。
(1) カラーセンターの形成と除去のプロセス
照射処理後、宝石は内部で色中心を生成し、色の変化を起こす。例えば、スモーキークォーツでは、図4-20(a)から図4-20(d)のエネルギー準位図で色中心の生成と消滅の過程を見ることができる。色中心を形成する場合、電子は状態Aから状態D、そして状態Bへと励起され、多くのエネルギーを必要とする。色中心を消去するとき、あるいは褪色するとき、電子は状態Bから状態C、そして状態Aへと移動するが、これも大きなエネルギーを必要とする。形成と消去に多くのエネルギーを必要とするこれらの色中心は、可視光では安定な色中心である。
図4-20 (e)に示すような別の状況もある。このシステムは、状態 / から状態 D、そして状態 B へと励起することで色中心を形成しており、これには多くのエネル ギーが必要であるが、状態 B から状態 C へと移動して状態 A に戻るにはほとんどエネルギーが必要ない。図4-20( f )は、状態Aから状態D、状態Bへと色中心を形成するのにほとんどエネルギーが必要ないことを示しており、状態Bから状態Cに移動して状態Aに戻るのにもほとんどエネルギーが必要ないことを示している。
このエネルギーは可視光線の範囲内である。この系は、可視光が射すとエネルギー障壁Cを乗り越えて退色することができる。光を吸収し、励起状態EとFに遷移する性質は変わらないが、これらの色は可視光ですべて退色することができる。したがって、図4-12の(e)と(f)の色中心は不安定色中心と呼ばれる。
(2) カラーセンターの安定性
一般に、照射処理後の宝石の色は、加熱によって元の色に戻すことができる。色中心の安定した宝石は熱処理温度が高く、色中心の不安定な宝石は熱処理温度が低い。例えば、スモーキークォーツは一般に140～280℃の熱処理温度でスモーキーカラーが消えるが（図4-21）、アメジストは一般に400℃以上の高い熱処理温度が必要である（図4-22）。従って、照射アメジストはスモーキークォーツよりも安定である。
宝石のカラーセンターは固定されておらず、照射後にサンプルが退色する温度は、照射源の違いによって異なる。また、同じ素材のカラーセンターでも、異なる原因によって形成されたものは安定性が異なる。例えば、人工的な照射によって形成されたサファイアの黄色の色中心は非常に不安定で、可視光線ではすぐに退色する。しかし、天然に存在するサファイアの黄色の色中心は可視光線に対して安定であり、容易に退色しない。
人工的な照射は高線量・短時間であるのに対し、自然界の照射は低線量・長時間であるため、エネルギー障壁Cの高さが異なる。
5.照射による宝石の色の変化
照射は宝石にさまざまな影響を与え、宝石の種類によってさまざまな変化を引き起こす。照射された粒子が宝石に入ると、宝石内の原子やイオンと相互作用し、その構造やイオン電荷を変化させ、それによって色を変化させる。放射線による宝石の変化には以下のようなものがある。
(1)宝石に、すでに発見されている天然のカラーセンターを形成させる。
放射線照射は、天然宝石にすでに存在するカラーセンターを作り出すことができるが、天然宝石が希少であるため、自然界ではあまり見られない。例えば、天然のブルートパーズは希少である。これに対して、照射によって生成されるブルートパーズの色は、光や熱などに対して安定しており、生成メカニズムも天然のブルートパーズと同様である。そのため、照射ブルートパーズは商品価値があり、現在のところ、少量の放射性残留物を除き、天然ブルートパーズと照射ブルートパーズを区別する有効な識別方法は見つかっておらず、天然ブルートパーズと同等の実用価値がある。
(2) 既存のカラーセンターの強化
照射処理は、天然宝石に形成された色中心を強化し、宝石の色をより鮮やかにすることができます。例えば、天然石英は照射処理によって緑色や紫色を発色する。照射量と照射時間をコントロールすることで、所望の色を得ることができ、室温で安定した状態を保ち、使用や摩耗に影響を与えない。
(3) 加熱や光照射によって退色したカラーセンターの修復
照射と熱処理は可逆的な反応であり、一般に、照射によって形成された色は、熱処理によって照射前の色に戻すことができる。同様に、さらに照射することで所望の色を得ることもできる。
(4) カラーコアと無関係な色の改善と除去
一般に、宝石に照射処理を施す場合、照射量や時間などの照射条件を制御することにより、照射後の宝石の色を変化させることができる。照射後の色の安定性は宝石の価値を左右する重要な要素であり、宝石中の不安定な色芯を排除しつつ、安定した色芯を得るための努力がなされている。
(5)これまでに発見されていない天然のカラーコアの形成
宝石の色の原因についての理解が深まるにつれ、照射処理が可能な宝石の種類は増加の一途をたどり、宝石のカラーバリエーションも多様化している。照射によって天然宝石にはない色核が生成されることで、新たな品種が誕生し、宝石の色の新たなメカニズムが形成されると考えられている。
現在、照射処理に使用される宝石の種類は多く、ダイヤモンド、サファイア、トパーズ、ベリル、ジルコン、水晶、トルマリン、真珠などが比較的多い。これらの宝石の照射処理後の色の変化を表4-3に示す。
表4-3 一般的な照射宝石の種類と色の変化
| 宝石の種類 | 照射前後の色の変化 |
|---|---|
| ダイヤモンド | 無色、淡黄色、緑色、青色または黒色、茶色、ピンク色、赤色 |
| サファイア | 無色-黄色（不安定） |
| ベリル | 無色-イエロー、ピンク、ゴールデンイエロー、ブルーグリーンなど |
| アクアマリン | ブルー - グリーン、ライトブルー - ダークブルー |
| トパーズ | 無色-茶色（不安定）、青；黄色-ピンク、オレンジ赤 |
| トルマリン | 無色、淡黄色、茶色、ピンク、赤、緑、青、等 |
| ジルコン | 無色～褐色、淡紅色 |
| クリスタル | 無色～黄色、黄緑色、緑色、スモーキー、紫色 |
| 大理石 | 白、黄、青、紫 |
| パール | 無色～灰色、褐色、青色または黒色 |
6.照射処理が宝石に与える影響
宝石に放射線を照射する場合、照射線量と照射時間が宝石に与える影響を考慮することが重要である。宝石の種類によって使用する照射源は異なり、照射時間は希望する色によって異なる。照射の際には以下の点に注意する必要がある：
(1)過剰な照射エネルギーや長時間の照射は、宝石の結晶中の色中心の形成に悪影響を及ぼすことがあります。空孔の凝集を引き起こし、宝石が灰色や黒色に見えることがあります。
(2) 照射の効果は表面から内部へ、宝石の色は外側から徐々に濃くなる。照射エネルギーが高すぎると、宝石表面のイオンが十分なエネルギーを吸収して表面から剥離し、表面が損傷することがある。
(3)照射エネルギーが高すぎると、宝石の内部で局所的な高温が速やかに発生し、表面のチッピングにつながる可能性がある。
(4) 宝石照射処理後に発生する放射性残留物は、照射線の種類、照射量、放射性同位元素の半減期と関連している。放射性残留物は、市場に出回る前に国家基準を満たさなければならない。
照射後の宝石表面の残留放射能は、放射線の種類、照射量、試料中の不純物の種類や含有量、放射性元素の半減期などに関係する。照射された宝石はしばらく置かれ、残留放射能が国の基準値以下でなければ市場に出回らない。国際放射線防護委員会が定めた「放射線防護基準」によれば、天然放射性物質の比放射能の免除値は各国共通である。天然放射性物質の比放射能は1gあたり350Bq/g未満でなければならない。人工放射性物質の免責値はさまざまで、英国は100Bq/g未満、日本、フランス、イタリアは74Bq/g未満としている。米国の基準は最も低く、15Bqである。
第V節 高温高圧処理法
ダイヤモンドの色彩最適化処理には、主に照射処理と高温高圧処理がある。1930年以来、宝石品質のダイヤモンドの色を改善するために、高エネルギーの放射線を用いた商業的な処理方法が使用されてきた。照射処理されたダイヤモンドの残留放射線は人体に害を及ぼす可能性があり、消費者が照射処理された宝石を受け入れるには限界があるため、宝石学者は無害で実現可能なダイヤモンドの色処理方法を見つけるために努力してきた。高温高圧法は当初、合成ダイヤモンドに用いられたが、その後、ダイヤモンドの成長条件や環境をシミュレートすることで、ダイヤモンドの色を改善できることが発見された。
1.高温高圧色調変化の歴史
自然界では、ダイヤモンドのほとんどはタイプIaのブラウンダイヤモンドであり、天然に産出する高品質の無色およびカラーダイヤモンドは希少である。ダイヤモンドの希少性、色、輝きは、高品質のダイヤモンドへの需要を強めています。ダイヤモンドの色の変化は、常に宝石研究者の研究テーマでした。
1960年代以降、米国、日本、ロシアなどの国々が、ダイヤモンドの高温高圧による色調変化の研究を相次いで行ってきた。ダイヤモンドの色調変化の予測可能性を最初に提案したのはGeneral Electric社でした。その後、Nikitinら(1969)は高温高圧処理法を用いて、タイプIaのライトイエローダイヤモンドをイエローとイエローグリーンのダイヤモンドに変色させた。
ゼネラル・エレクトリック社とデビアス社は、一連の世界的な天然ブラウンダイヤモンドの色修正法を発表している。しかし、これらのブラウンダイヤモンドのほとんどはタイプIIaであり、使用される器具は両面プレスであるため、処理されたダイヤモンドはほとんどが無色に近く、わずかにグレーがかった色調となります。20世紀末までに、ノヴァ社はプリズムプレスを用いて、タイプIaのブラウンダイヤモンドをイエローグリーン、グリーンイエロー、ブルーグリーン、ピンクカラーのダイヤモンドに処理することに成功しました。21世紀には、一部の学者や企業が高温高圧処理法を応用して、化学蒸着法で合成されたダイヤモンドの色調を改善したり変化させたりしており、主にイエローやライトブラウンの色調に処理されている。ロシアやスウェーデンなどの宝石会社も、ダイヤモンドの色調を改善するために高温高圧処理法の採用に成功している。
わが国におけるダイヤモンドの高温高圧色調変化の技術は、比較的遅れて始まったものであり、関連する研究は20世紀末に始まったばかりである。我が国はダイヤモンドの高温高圧色調変化の実験的研究に成功した。国内で一般的に使用されている装置は6面プレスで、圧力条件は海外の先進的な実験条件と比べるとまだ低いですが、条件を適切にコントロールする限り、ブラウンダイヤモンドを無色ダイヤモンドに変えることは可能です。
2.高温高圧で改善される主なタイプ
高温高圧色調補正法は、合成ダイヤモンドの条件と似ており、試料の圧力は通常6GPa、温度は2100℃前後、時間は30分以内と非常に短い。
窒素含有量の少ないIIaタイプのブラウンダイヤモンドは、処理後に色が明るくなり、E、F、Gなどのカラーグレードに変更することも可能です。これらは通常、レーザーを用いてダイヤモンドのガードルに "GE-POL "と刻印され、一般にGE-POLダイヤモンドまたはGE処理ダイヤモンドと呼ばれています。もう1つのタイプはノヴァダイヤモンドで、窒素を含む褐色または不純物の多いタイプIaの黄白色のダイヤモンドをカラーダイヤモンドに変えます。処理されたダイヤモンドは、はっきりとした緑色成分や鮮やかな黄色を示し、そのほとんどは緑がかった黄色から黄緑色のスペクトルに属します。この2種類の高温高圧処理ダイヤモンドの条件と主な識別の特徴は、ウェブサイトhttps://sobling.jewelry/unveiling-single-crystal-gemstones-like-sapphire-beryl-and-diamond/、ダイヤモンドの最適化処理方法のセクションIII（2）に記載されています。
2010年以降、一部の大手宝飾企業は、高温高圧法を用いたサファイア宝石の色調変化の実験的研究を開始した。サファイアの原石に必要な圧力はダイヤモンドに比べて比較的低く、一般的には100MPa程度で、ブルーサファイアの色をより鮮やかにすることができる。ドイツのある会社は、2.5MPaという低い圧力でサファイア原石を処理した最初の会社である。一方、ベリルは低温・低圧加熱により、より鮮やかな色を実現できる。
