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Dokumentenidentifikation DE2559245C2 26.05.1988
Titel Verfahren zur Identifizierung von Diamanten
Anmelder De Beers Consolidated Mines Ltd., Kimberley, ZA
Erfinder Lang, Andrew Richard, Bristol, GB
Vertreter Fuchs, J., Dr.-Ing. Dipl.-Ing. B.Com., Pat.-Anw., 6200 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 30.12.1975
DE-Aktenzeichen 2559245
Offenlegungstag 11.11.1976
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.05.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.05.1988
IPC-Hauptklasse G01M 11/00
IPC-Nebenklasse G01N 23/205   G01N 23/207   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung von Diamanten, bei dem man vom zu identifizierenden Diamanten, dem Muster, eine oder mehrere Röntgenaufnahmen der inneren Unregelmäßigkeiten und Fehler macht und diese Aufnahmen mit analogen Röntgenaufnahmen bekannter Diamanten vergleicht.

Ein solches Verfahren ist aus der US-PS 17 99 604 bekannt. Bei dem aus der US-PS 17 99 604 bekannten Verfahren werden von einem geschliffenen Diamanten ausgesandte Sekundärstrahlen benutzt, um diesen Diamanten zu identifizieren. Es ist mit diesem Verfahren nicht möglich, die Identität eines bestimmten Diamanten, beispielsweise vor und nach dem Schliff, festzustellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dem die Identität eines bestimmten Diamanten unabhängig von Veränderungen seiner Oberfläche, z. B. durch Schleifen, Nachpolieren, Nachschleifen oder Bestrahlen, bestimmt werden kann.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche bilden die Erfindung weiter aus.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptanspruch ist aus Review of Scientific Instruments, Vol. 34, No. 12, Dec. 1963, Seiten 1420-1422 bekannt.

In dieser Kamera für Röntgenstrahlen-Beugungs-Topographie rotiert der zu untersuchende Kristall um eine Achse senkrecht zur Hauptoberfläche des Kristalls. Gleichzeitig wird der Kristall linear bewegt.

Es wurde gefunden, daß die Anwendung der Topografie auf Röntgenbeugungsaufnahmen unter dem Braggschen Winkel einen "Fingerabdruck" des Diamanten liefert, und zwar sowohl des ungeschliffenen als auch des geschliffenen Diamanten; dieser Fingerabdruck wird nicht verändert, wenn der Diamant nachpoliert, nachgeschliffen oder schwach bestrahlt wird. Der Fingerabdruck ändert sich nur, wenn die charakteristische kristalline Natur des Diamanten grundsätzlich geändert wird, z. B. durch Überführung in amorphen Kohlenstoff. Die Topografie ist ein Verfahren, das gewisse Eigenschaften einer Probe Punkt für Punkt über den ganzen Volumenbereich wiedergibt. Topografische Untersuchungen sind also immer dann besonders wertvoll, wenn die Inhomogenität der Probe interessiert (siehe E. G. Lang, "Modern Diffraction and Imaging Techniques in Material Science", Seite 407, 1970).

Unter dem Ausdruck "Bragg'sche Winkel" versteht man den Winkel, welcher durch die Bragg'sche Gleichung

2dhkl sin R = nλ

gegeben ist. In dieser Gleichung bedeutet dhkl den Netzebenenabstand zwischen jenen Kristallebenen, deren Richtung im Kristall durch die Indizes hkl festgelegt wird, der Winkel R ist der Winkel zwischen dem Röntgenstrahl und den obenerwähnten Ebenen, n ist eine ganze Zahl und λ ist die Wellenlänge der verwendeten Röntgenstrahlen. Röntgenstrahl-Beugungsaufnahmen (auch als Röntgenstrahlbeugungstopografen bezeichnet), die unter dem Bragg'schen Winkel aufgenommen wurden, zeigen charakteristische Muster, die so beschaffen sind, daß es unwahrscheinlich ist, daß mehr als ein Diamant exakt denselben Fingerabdruck besitzt, insbesondere wenn eine Reihe von Röntgenbeugungsdiagrammen der verschiedenen Ebenen unter dem Bragg'schen Reflexionswinkel aufgenommen wurden. Die Aufnahme oder die Aufnahmen können Röntgenstrahlenbeugungs- oder Absorptionstopografen sein, vorzugsweise sind es Diffraktionstopografen. Es versteht sich, daß der Ausdruck "mit Hilfe der Röntgenstrahlenbeugung unter dem Bragg'schen Winkel" hier in allgemeiner Bedeutung verwendet wird. Wenn die Probe einige Kristallregionen enthält, die bezüglich anderer Kristallregionen signifikant fehlerorientiert sind, wenn die Wellenlängen des auf dem Kristall auftreffenden Röntgenstrahls auf einen genügend engen Bereich beschränkt sind und die Winkelabweichung des auf die Probe auftreffenden Röntgenstrahls genügend klein ist, können einige Kristallregionen das Bragg-Gesetz gut erfüllen, während das bei anderen bei einer gegebenen Winkeleinstellung des Kristalls bezüglich der Hauptorientierung des einfallenden Röntgenstrahls nicht der Fall ist. Eine derartige Fehlorientierung in der Probe kann aufgezeichnet werden und kann Teil der Röntgenstrahlentopografieaufnahme interner Defekte im Diamanten sein. Die Kontrastempfindlichkeit, die Natur des Kontrastes (d. h. Über- oder Unterschuß der Beugungsintensität) und der Kontrastbereich, mit dem diese Fehlorientierungen (und auch kleinere Fehlorientierungen, wie sie mit individuellen Kristallgitterversetzungen verbunden sind) aufgenommen werden, hängt vom Grade der Kollimation und der Wellenlängenverteilung der auf die Probe auffallenden Röntgenstrahlen ab. Die Kontrastcharakteristika der Röntgenstrahlentopografien hängen im allgemeinen davon ab, ob der auf die Probe auffallende Röntgenstrahl durch einen Schlitz parallel und/oder durch vorherige Braggreflexion durch einen sogenannten Monochromatorkristall monochromatisch gemacht wird und auch davon, ob die Strahlung von einem konventionellen Röntgenstrahlengenerator oder einem Synchrotron herrührt. Es versteht sich, daß die Termini "mittels Röntgenstrahlenbeugung unter dem Bragg'schen Winkel" und "entsprechend dem Bragg'schen Gesetz" auch derartige praktische Variationen und Subtilitäten umfassen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Bragg-Reflexion einer oder mehrerer Kristallgitterebenen, die sich durch ihre Orientierung und/oder ihren Netzebenenabstand unterscheiden, verwendet. Dabei kann die Topographie Projektions- und/oder Sektionstopografie sein entsprechend einem im voraus bestimmten Programm, das dazu bestimmt ist, den Informationsgehalt bezüglich der internen Unterscheidungsmerkmale des Kristalls zu maximieren. Anhand dieses Röntgenstrahlentopografieverfahrens ist es möglich, Kristallgitterfehler zu identifizieren, z. B. Kristallgitterversetzungen im Diamanten, Wachstumsstreifen, Stapelfehler und Zwillingsbildung.

Wenn die Röntgenstrahlung monochromatisch (oder fast monochromatisch) ist, dann muß entsprechend der Bragg'schen Gleichung der Kristall unter einem solchen Winkel gegen die einfallenden Röntgenstrahlen geneigt sein, daß die Bragg'sche Gleichung wenigstens für eine Netzebene (hkl) erfüllt ist. In diesem Fall werden die Röntgenstrahltopografien nacheinander aufgenommen. Ist jedoch die Röntgenstrahlung nicht monochromatisch, wie z. B. die "weiße Strahlung" einer Röntgenröhre oder eines Synchrotrons, dann wird bei jedem Winkel zwischen dem Kristall und dem einfallenden Röntgenstrahl eine Gruppe von Bragg-Reflexionen, von denen jede von einer verschieden orientierten Netzebene herrührt, gleichzeitig registriert, wie dies von Guinier und Tennevin beschrieben wurde (Acta Crystallographica, 1949, Band 2, Seite 133 bis 138). Je nach Art der zur Verfügung stehenden Röntgenstrahlröhre können nach freier Wahl die Bragg'schen Reflexionen nacheinander (bei monochromatischer Röntgenstrahlung) oder gleichzeitig gruppenweise entsprechend dem Verfahren von Guinier und Tennevin aufgenommen werden. Wenn das zuletzt genannte Verfahren verwendet wird, ist es vorteilhaft, Gruppen von Reflexionen aufzunehmen, wenn eine Symmetrieachse parallel zu dem einfallenden Röntgenstrahl orientiert ist. Beispielsweise können Gruppen von Reflexionen aufgenommen werden, wenn eine der drei kubischen Symmetrieachsen parallel zu dem Röntgenstrahl orientiert ist.

Es kann also eine Serie von Beugungsdiagrammen unter Verwendung kristallografisch äquivalenter Reflexionen verwendet werden. Bei Verwendung monochromatischer Röntgenstrahlen besteht das einfachste Routineverfahren darin, die drei Würfelebenen auszuwählen; in jeder Ebene werden vier Radiogramme aufgenommen. Nach der Aufnahme jedes Radiogramms wird der Kristall um 90° um das Einfallslot gedreht, um ein Gesamtbild des Steins zu erhalten.

Das Radiogramm kann mittels der üblichen Verfahren in permanenter oder halbpermanenter Form aufgenommen werden, z. B. mittels Röntgenstrahlen-Polaroidverfahren, mittels fotografischer Emulsionen, die für Röntgenstrahlen empfindlich sind, mittels Xerografie und elektronischer Verfahren. Derartige elektronische Verfahren umfassen elektronische Bildverstärker (mit oder ohne angeschlossenem Fernsehapparat) und positionsempfindliche, gasgefüllte oder feste Röntgenphotonendetektoren (einzeln oder hintereinander in einer Reihe). Die Aufnahmen können z. B. in Form von magnetischen Bändern vorliegen. Die Quelle der Röntgenstrahlen (die parallel gemacht werden sollten) kann entweder eine konventionelle Röntgenröhre sein oder ein Synchrotron (das Synchrotron ist die Quelle überaus gleichgerichteter und sehr intensiver Röntgenstrahlen).

Allgemein ist es möglich, mittels dieses topografischen Verfahrens zwischen synthetischen und natürlichen Diamanten zu unterscheiden, weil die zur Zeit erhältlichen synthetischen Diamanten Einschlüsse enthalten, die z. B. von metallischen Verunreinigungen herrühren, die in natürlichen Diamanten nicht vorhanden sind.

Einige Diamanten, z. B. Rohdiamanten, insbesondere solche aus alluvialen Quellen, haben Oberflächenschäden; es ist wünschenswert, vor dem Anfertigen der Röntgenstrahlen-Topografieaufnahmen die Oberflächenschäden soweit wie möglich zu entfernen. Die Entfernung der Oberflächenschäden führt dazu, daß die internen Unterscheidungsmerkmale des Diamanten klarer und kontrastreicher in den Röntgentopografien erscheinen. Oberflächenschäden können durch Ätzen entfernt werden, z. B. mittels eines Gases bei kontrollierten Temperaturen und Drücken, mittels reaktionsfähigen Gasen in Gegenwart elektrischer Ströme, mittels aufgerührter Flüssigkeiten und mittels Ionen bzw. Atomen hoher Geschwindigkeit.

Wenn der rohe Diamant einen Überzug besitzt, kann vermittels der Röntgenstrahlentopografie oder der Röntgenstrahlentopografien entschieden werden, ob es sich lohnt, den Stein freizulegen.

Versicherungsgesellschaften und Polizeibehörden können einen Index von Röntgenstrahlentopografien bekannter Diamanten aufstellen und ein derartiger Index ist für eine breite Anwendung der vorliegenden Erfindung sehr vorteilhaft. Der Index kann beispielsweise eine Zusammenfassung oder ein Kodex der Konfigurationen von einem oder von mehreren Arten interner Defekte sein, z. B. Stapelfehler, Zwillingsbildung, Translationsstreifung oder Kristallgrenzen (Fehlorientierungen und insbesondere Gitterverletzungen, Anwachshorizonte und Spannungsfelder, die mit submikroskopischen Einschlüssen oder Niederschlägen verbunden sind).

Die Radiogramme (Fig. 1 und 2) zeigen Röntgenstrahlbeugungsdiagramme eines einkarätigen Brillanten.

Fig. 1 ist eine Projektionstopographie (Lang, Acta Crystallographica, 1959, Band 12, Seiten 249 bis 250); die ungefähr ellipsenförmige

Fig. 2 ist eine Röntgenstrahl-Sektionstopographie (siehe Lang, Acta Metallurgica, 1957, Band 5, Seiten 358 bis 364) eines Querschnittes des Brillanten.

Die Sektionstopographie zeigt sehr scharfe Details und daher einen hohen Grad an Individualität, aber es repräsentiert eben nur einen Schnitt durch den Kristall. Die Projektionstopographie zeigt eine Reflexion des ganzen Volumens des Kristalls und ist daher etwas weniger scharf. Vom Standpunkt des Kristallwachstums ist dieser Diamant ziemlich fehlerhaft (aber er hat offenbar eine innere Struktur, die ziemlich häufig ist). Er ist daher kein willkommenes Objekt für das Fingerabdruckverfahren, da er so viele Fehler enthält. Es kann jedoch als sicher gelten, daß einige mehr Bilder des gleichen Steines einen unverwechselbaren Fingerabdruck ergeben, der durch kein Verfahren geändert werden könnte, das nicht auch den Stein selbst zerstören würde.

In einem Beispiel der Erfindung wurden drei Rohdiamanten Röntgenstrahl-Beugungstopogramme aufgenommen; alle drei Steine hatten Edelsteinqualität; Fehler waren nicht zu erkennen, ebenso keine mikroskopisch erkennbaren Identifikationscharakteristika. Um einigermaßen komplette topografische Beugungsaufnahmen der rohen Steine für Zwecke des Fingerabdruckes zu erhalten, und dennoch die Zahl der aufzunehmenden Topogramme möglichst klein zu halten, wurde entschieden, die Reflexionen der niedrigsten Multiplizität, nämlich des Würfels, {100}, zu benützen und Projektionstopogramme aufzunehmen, und zwar unter Verwendung jeder unabhängigen Ebene dieser Form, von denen es drei gibt. Die Reflexion 400 ist die Reflexion niedrigster Ordnung dieser Form, die durch die Symmetrie der Raumgruppe 07h, zu der der Diamant gehört, erlaubt ist. Daher wurde jede der Ebenen (400), (040) und (004) nacheinander herangezogen. Da nicht vorhergesagt werden konnte, ob evtl. der "Fingerabdruck" leicht zu erhalten ist, wurden vier Topogramme aufgenommen, und zwar unter Verwendung der drei Ebenen von {400}; auf diese Weise wurden mit jeder Reflexion vier verschiedene Ansichten oder Aspekte jedes Steines erhalten. Somit bestand die endgültige Registrierung aus vier Beugungsdiagrammen jedes Steines. Immer wurde MoKα1-Strahlung verwendet und die Topogramme wurden nach Standardverfahren aufgenommen. Die drei rohen Steine wurden dann zurechtgeschnitten und zu Brillanten geschliffen, dadurch wurde ihre Größe und Gestalt vollständig verändert, Röntgenstrahl-Beugungstopogramme der drei zurechtgeschliffenen Brillanten wurden aufgenommen; es bestand keine Schwierigkeit, die Topogramme eines gegebenen Steins, die von seinem rohen Zustand und von seinem Endzustand herrühren, zu vergleichen; dadurch war es möglich, eindeutig zu identifizieren, aus welchem Rohdiamant jeder besondere Brillant hergestellt worden war.

Fig. 3 und 4 zeigen zur Verdeutlichung Topogramme eines der Diamanten vor und nach dem Schliff.

Gleiche Bezugszeichen (10, 12) wurden in den Zeichnungen verwendet, um gemeinsame Merkmale deutlich zu machen; auf diese Weise war es möglich, eindeutig den Ursprung des zurechtgeschnittenen und geschliffenen Diamanten zu identifizieren. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zum Abnehmen des "Fingerabdrucks" anderer Edelsteine wie Rubin, Smaragd oder Saphir verwendet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Identifizierung von Diamanten, bei dem man vom zu identifizierenden Diamanten, dem Muster, eine oder mehrere Röntgenaufnahmen der inneren Unregelmäßigkeiten und Fehler macht und diese Aufnahmen mit analogen Röntgenaufnahmen bekannter Diamanten vergleicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenaufnahmen topographische Röntgenaufnahmen sind und das Röntgenbeugungsspektrum unter dem Braggschen Winkel wiedergeben.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme oder die Aufnahmen des Musters oder einer ausgewählten Region derart hergestellt werden, daß das Muster so zu der Richtung des auf das Muster auffallenden Röntgenstrahls orientiert wird, daß ein Teil des Musters oder der ausgewählten Region die Bedingung für Röntgenbeugung beim Bragg'schen Winkel im wesentlichen erfüllt.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächenschäden vor der Herstellung der Aufnahme und der Aufnahmen von dem Diamanten entfernt werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschäden durch Ätzen entfernt werden.






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