Ứng dụng công nghệ chiếu xạ làm đổi màu topa Việt Nam

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CHIẾU XẠ LÀM ĐỔI MÀU

KHOÁNG VẬT TOPAZ VIỆT NAM

TS. Phạm Văn Long

 Viện Nghiên cứu Đá quý và Vàng VINAGEMS

15 Ngọc Hồi, Hoàng Liệt, Hoàng Mai, Hà Nội

Email: long@vinagems.vn; Website: www.vinagems.vn

GIỚI THIỆU

          Topaz là khoáng vật đá quý khá phổ biến ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam và được phát hiện ở nhiều nơi như Xuân Lẹ (Thường Xuân, Thanh Hoá), Thạch Khoán (Vĩnh Phúc), Lộc Tân (Lâm Đồng),...với triển vọng khá lớn. Màu chính của khoáng vật topaz thường là không màu, số lượng ít hơn có màu vàng nhạt, và hiếm hơn nữa là loại màu xanh lam. Loại topaz thích hợp để sản xuất hàng trang sức và do đó có giá trị rất cao là các loại có màu hiếm (lam, hồng, champain, lục,...) và có giá trị cao gấp nhiều lần so với loại không màu. Trên thế giới việc áp dụng các công nghệ xử lý hiện đại để chuyển loại topaz từ không màu sang các màu được ưa chuộng và có giá trị cao đã được thực hiện từ lâu và mang lại hiệu quả cũng như giá trị kinh tế rất lớn.  Topaz Việt Nam hầu hết là loại topaz không màu và hầu như không có giá trị trong việc sản xuất hàng trang sức. Trong khi đó nhu cầu sử dụng topaz có màu để sản xuất hàng trang sức ở trong nước lại rất cao và chủ yếu được nhập từ nước ngoài.

          Bài viết này trình bày những kết quả nghiên cứu trong khuôn khổ Đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ xử lý làm đổi màu nhằm tăng chất lượng của khoáng vật topaz Việt Nam“ do tác giả làm Chủ nhiệm.

KHÁI QUÁT ĐẶC ĐIỂM CHẤT LƯỢNG CỦA TOPAZ VIỆT NAM

Topaz Việt Nam cũng thường trong suốt và không màu được khai thác chủ yếu từ hai mỏ lớn là Thường Xuân (Thanh Hoá) và Lộc Tân (Lâm Đồng). Các nguyên tố tạp chất đã được xác định trong topaz hai mỏ Thanh Hoá và Lâm Đồng được đưa ra trong các bảng 1 và 2 chúng bao gồm các nguyên tố Na, Cu, Ga,Ge, As, Co và Th.

Đặc điểm thành phần hoá học

Topaz Việt Nam có cấu trúc hoá học Al₂[F_0,956 (OH)_0,044]₂ SiO₄, và có thể được xếp vào loại topaz giàu chất fluor. Tỉ lệ thế x trong cấu trúc Al₂[F_1-x(OH)_x]₂SiO₄ được xác định trực tiếp bằng nhiễu xạ neutron bằng một tinh thể đơn. Nhờ vào phân tích hoạt hoá neutron, một số nghiên cứu đã xác định được thành phần các nguyên tố tạp chất trong topaz Thanh Hoá và Lâm Đồng bao gồm các nguyên tố natri, đồng, gali, germani, asen, coban và tuli (bảng 1 và 2).

Bảng 1: Các nguyên tố thường có mặt trong topaz Việt Nam với các

đồng vị phóng xạ có chu kỳ ngắn

Bảng 2: Các nguyên tố có trong topaz Việt Nam với các

đồng vị phóg xạ có chu kỳ dài

Thành phần các nguyên tố tạp chất trong topaz Thanh Hoá và topaz Lâm Đồng là khá tương đồng đối với các nguyên tố có chu kỳ bán rã ngắn và cả nguyên tố có chu kỳ bán rã dài. Sự khác nhau duy nhất có thể quan sát được ở hai nguyên tô là sắt và tantal và trên thực tế có thể sử dụng hàm lượng của hai nguyên tố này để phân biệt topaz ở hai mỏ trên (bảng 3).

Bảng 3. Các nguyên tố đặc trưng cho phép phân biệt topaz

của Thanh Hoá và Lâm Đồng.

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH

Nguyên liệu

Nguyên liệu được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm các lô đá topaz từ hai vùng mỏ Xuân Lẹ (Thường Xuân, Thanh Hoá) và topaz vùng Lộc Tân (Lâm Đồng).

Các lô đá topaz được đưa vào chiếu xạ được lựa chọn kỹ lưỡng, có độ trong suốt cao, ít bao thể, khe nứt và thường không thấy được bằng mắt thường.

Để tận dụng tối đa liều lượng chiếu xạ và giảm bớt chi phí không cần thiết, các lô đá topaz được mài boxe trước khi đưa vào chiếu xạ.

Phương pháp tiến hành

Thiết bị được sử dụng là máy gia tốc LINAC 5MeV/150mA-150 kW :

Máy gia tốc LINAC 5(MeV)/150(mA) cấp tia điện tử (electron) 5MeV; 0.03A tới tấm chuyển đổi (converter) e- à X-ray, bằng hợp kim nặng thallium, hằng số chuyển đổi 0.07, phát bức xạ hãm tia X  mềm   0,7- 5 MeV. Năng lượng chùm tia điện tử  5 MeV; công suất chùm tia trung bình: 150 KW (L-Band, 1300MHz); bề rộng xung: 155 µs. Bộ chuyển năng điện tử / tia X  (cao):1.25m x  (rộng), cực đại: 0.63m (24”) cực tiểu: 0.32m (12”). Độ đồng nhất liều bề mặt: ±5%; độ xuyên sâu (vật liệu tương đương nước) 50%: 0.38/2 m.

                                              (a)                                                          (sơ đồ chiếu)

Hình 1. Máy gia tốc LINAC 5 MeV/150 mA-150 kW ở nhà máy diệt khuẩn, Công ty CP CB THS  Sơn Sơn  (a) và sơ đồ hoạt động (b).

Hộp đựng nguyên liệu

Tuỳ thuộc vào mục đích chiếu các hộp đựng nguyên liệu được thiết kế khác nhau sao cho phù hợp.

- Hộp chiếu tia X: Chúng tôi thiết kế các hộp nhôm, như Hình 2a, chuyên dụng chứa topaz thô đặt vào buồng chiếu tia X. Mỗi mẻ chiếu 5 – 6 kg. Có làm đường dẫn nước làm mát để duy trì nhiệt độ hộp và đá không quá 70-80⁰C

Hình 2: Hộp đựng đá topaz cho chiếu tia X hoặc gamma (bến trái) và hộp bằng kim loại Ti không cản tia EB để chiếu điện tử (bên phải)

Các mục tiêu thiết kế khác nhau là:

- Tận dụng tia điện tử tán xạ ngoài chùm chính (tập trung cho tấm chuyển đổi)

- Tuy nhiên qua đo đạc, thấy rõ cường độ tia điện tử phân tán vẫn đủ dùng cho nhiều việc (chiếu đá) công suất khỏang 10% tổng chùm tia chính

- Hiệu quả năng lượng cơ bản là tương đương với chiếu chùm tia chính, nhưng công suất nhỏ thua nhiều lần, cho nên có thể sử dụng mà khỏi cần cấp nước làm mát.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được 3 quy trình tạo topaz màu lam như sau:

1. Quy trình tạo topaz màu lam nhạt (sky bue): Quy trình này chiếu bằng tia X hoặc gamma, các bước tiến hành như sau:

- Chọn đá nguyên liệu: độ trong suốt cao, ít bao thể, bọt, vết nứt nhỏ, không thấy bằng mắt thường.

- Chiếu xạ tia X (hay tia gamma): “chiếu sơ bộ” bằng tia X hoặc tian gamma đến liều khoảng 2000 – 5000 kGy. Lựa chọn lấy những viên có màu nâu, nâu đen, loại bỏ những viên không đổi màu (trơ).

- Chiếu xạ tia X (hay tia gamma) tới liều 100 MGy-200 MGy

- Xếp đá vào lò nung ở 240^oC trong 30-90 phút, tốc độ tăng giảm nhiệt không quá 1-2^oC/ phút. Sản phẩm thu được có màu lam nhạt (tương đương màu lam aquamarin cho đến màu lam da trời nhạt).

Hình 3. Topaz đã cắt mài (bên trái) và topaz đã chiếu sơ bộ bằng tia tia X

trước khi chiếu bằng các tia khác

Hình 4. Nguyên liệu topaz trắng (đã cắt mài) và sản phẩm màu lam nhạt (sky blue - quy trình 1)  và màu lam trung bình (aquamarin blue - quy trình 2) sau chiếu xạ

2. Quy trình tạo topaz màu lam trung bình (aquamarin blue): Quy trình này sử dụng tia điện tử, các bước tiến hành như sau:

- Chọn đá nguyên liệu: độ trong suốt cao, không có bọt, vết nứt (nếu có thì đều nhỏ, không thấy bằng mắt thường).

- Chế tác đá theo kích cỡ, hình dáng cần thiết.

- Chiếu xạ tia X (hay tia gamma): “chiếu sơ bộ” bằng tia X hoặc tia gamma đến liều khoảng 2000 – 5000 kGy. Lựa chọn lấy những viên có màu nâu, nâu đen, loại bỏ những viên không đổi màu (trơ).

- Nạp đá vào hộp làm mát (xếp đá thành lớp mỏng, không che chắn nhau).

- Chiếu xạ bằng tia điện tử tới liều 100 MGy-200 MGy (chú ý làm mát tối đa).

- Xếp đá vào lò nung ở 240^oC trong 30-90 phút, tốc độ tăng giảm nhiệt không quá 1-2^oC/ phút.

Sản phẩm thu được có màu lam trung bình (tương đương màu lam aquamarin)

3. Quy trình tạo topaz màu lam đậm (London blue hoặc Swiss blue): Quy trình này sử dụng tia nơtron chiếu trong lò PƯHN Đà Lạt, các bước tiến hành như sau:

- Chọn đá nguyên liệu: độ trong suốt cao, không có bọt, vết nứt (nhỏ, mắt thường không nhìn thấy). Đá nguyên liệu có thể để thô, mài bán thành phẩm hoặc mài thành các viên hoàn chỉnh.

- Nạp nguyên liệu vào hộp Cadmium kim loại, dày 0,5 mm, đặt hộp vào vị trí đã chọn trong lò hoặc kênh 4.

- Chiếu xạ trong lò PƯHN (nên chọn chế độ chiếu giàu thành phần nơtron nhanh (E > 3MeV và phông gamma thấp). Liều tối thiểu là 1017n/cm2. Sản phẩm thu được có màu lam rất đậm, có thể coi là lam xám, hay lam đen, lam mực.

- Xếp đá vào lò nung ở khoảng 350^oC trong 60 phút, tốc độ tăng giảm nhiệt không quá 1-2^oC/ phút. Sản phẩm có màu lam đậm, tương đương màu lam thương mại “London blue”.

- Nếu đá được nung ở khoảng 400^oC trong 4 giờ, sản phẩm có màu lam đẹp nhất (super blue), tương đương màu lam thương mại “Swiss blue”.

THẢO LUẬN KẾT QUẢ

Để đánh giá sự khác nhau trong việc thay đổi màu sắc của topaz trước và sau chiếu xạ ở các quy trình khác nhau chúng tôi đã tiến hành đo phỏ hấp thụ của chúng.

Màu của topaz xử lý, phân tích theo phổ hấp thụ

Hình 6: Nguyên liệu và sản phẩm:                                                                  

[1], Topaz tự nhiên, trắng, Đã cắt mài

[2],  Topaz nâu, xám (chiếu tia X)   

[3], Topaz lam nhạt (chiếu điện tử)

[4],  Topaz lam đậm (chiếu nơtron)

[5], Topaz lam nhạt (chiếu nơtron)

Hình 7: Phổ hấp thụ của 5 mẫu topaz nguyên liệu và các màu khác nhau sau chiếu xạ

Nhận xét:

Mẫu 1: topaz nguyên liệu: độ trong cao.

Mẫu 2: đã qua chiếu tia X, bị nâu-đen, hấp thụ mạnh phía sóng ngắn.

Mẫu 3: có màu lam nhạt do có dải hấp thụ vàng-xanh (580-650 nm)

Mẫu 4: đạt màu lam thượng đẳng (super blue) hơi khác mẫu 5 ở chỗ hấp thụ mạnh hơn ở phía sóng dài, hấp thụ ít hơn ở phía sóng ngắn . Từ những nghiên cứu quang phổ có thể xác định kĩ lưỡng về tâm màu phát sinh và tiêu trừ trong các mẫu topaz.

Từ đó sẽ bổ chính tốt hơn các chế độ chiếu xạ và nung mẫu, nghĩa là hoàn thiện quy trình sản xuất topaz màu .

SỰ CỐ THƯỜNG GẶP

1. Các viên nguyên liệu khác nhau có độ chuyển màu khác nhau

Tia X (cũng như tia gamma) có độ xuyên sâu rất cao, cho nên sự khác biệt màu thấy rõ đó không phải vì bất đồng nhất về liều trong vùng trường chiếu, mà do tính chất đáp ứng bức xạ khác nhau của các viên nguyên liệu khác nhau. Chính vì lí do đó nên các nhà xử lý topaz đã áp dụng thêm bước (công đoạn) “quét tia để lọc lựa đá”, họ chọn viên đá nào “bắt màu” (colored) thì mới đem xử lý điện tử tiếp tục, còn những viên “trơ” (stable) thì loại ra; Từ khi có kĩ thuật chiếu nơtron thì số viên “trơ” ấy vẫn đổi màu được, không cần loại bỏ. Tất nhiên, nếu không có điều kiện chiếu nơtron thì chúng có thể để trắng, hay đem xử lý khuếch tán.

Hình 8: Màu khác nhau trong các viên topaz cùng một lô thí nghiệm chiếu tia X.

2. Hiện tượng nứt vỡ khi chiếu tia EB, làm mát kém

Trong sự cố vô tình đem topaz chiếu tia điện tử mà không làm mát đủ tốt, chúng tôi thu được “phế phẩm” hoàn toàn, bị nứt vỡ như thấy trên Hình 2.24. Trong trường hợp này vẫn có sự chuyển hoá màu sắc đặc trưng, nhưng kết cấu tinh thể hoàn toàn bị phá hỏng.

Hình 9: Minh hoạ sự nứt vỡ

của các viên topaz chiếu EB

3. Hiện tượng đánh thủng điện và sinh đới màu khi chiếu tia EB năng lượng thấp

Hình 10: Minh họa một số sai lỗi trong viên đá topaz chiếu xạ bằng tia điện tử 5MeV

a, c: Dấu vết của đánh thủng điện nhìn qua mặt cắt khai (vỡ) do nhiệt.

b,d: Hiệu quả chuyển màu bất đồng nhất theo chiều sâu.

e. Sự khác biệt về màu trong cùng một chế độ chiếu (được đoán nhận là do định hướng ngẫu nhiên của tinh thể đá đối với hướng tới của tia điện tử, liều chiếu 100.000 kGy ).

Hình ảnh trên Hình 10 là của một số viên topaz được chiếu tia EB 5MeV, có làm mát. Chúng tôi xác định được đó là dấu vết rõ rệt của hiện tượng đánh thủng điện bên trong viên đá, do tích tụ điện tích không gian trong nội bộ viên đá, gây ra. Điều này phù hợp với kết quả mô phỏng chiếu xạ topaz bằng tia EB 5 MeV. Đó là lí do vì sao người ta khuyến cáo phải sử dụng chùm tia điện tử ( EB) năng lượng đủ cao để xuyên thấu được thể tích (chiều sâu) viên đá. Với topaz, tỷ trọng d ≈ 3,49 – 3,57, bề dày trên 1 cm, thì năng lượng tia EB phải là E > 15 MeV. Muốn tăng bề dày lớp tác dụng này ở một vật liệu cho trước, thì chỉ có một cách là nâng cao năng lượng chùm tia ban đầu. Máy chiếu LINAC chuyên dụng chiếu đá quí là loại cần năng lượng tới 25 MeV.

KẾT LUẬN

          Đề tài được triển khai thành công có một ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn. Về khoa học đề tài đã áp dụng thành công một công nghệ hiện đại đối với một đối tượng cụ thể tại Việt Nam. Về mặt thực tiễn, đề tài có một ý nghĩa to lớn trong việc tận dụng triệt để nguồn tài nguyên khoáng sản quý hiếm đang ngày càng cạn kiệt, chống xuất khẩu các sản phẩm thô và lậu ra nước ngoài. Về mặt kinh tế các sản phẩm sau xử lý có giá trị cao gấp nhiều lần (5-10 lần) so với các sản phẩm trước xử lý.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyen Quy Dao và nnk, 2008 “Caracterisation des Topazes Vietnamiennes parles techniques spectroscopiques, Proceeding of the International Symposium “Geo-and Material Science on Material Resources of Vietnam”, Hanoi.
2. Nguyen Quy Dao và nnk, 2001, “Caracteristiques des topazes Vietnamiennes et l’effet d’irradiation des neutrons rapides sur la topaze”, Gem and Minerals of Vietnam, April 4-10.
3. Jean-Paul Silvestre và nnk, 2008, Caracterisation de la Topazes Vietnamienne par les methods de diffraction neutrons et des rayons X, Proceeding of the International Symposium “Geo-and Material Science on Material Resources of Vietnam”, Hanoi.
4. Kurt Nassau, 1984, Gemstones Enhancement, Buterworth Publisher.
5. B. WuNonn, 1993, “Synthesis, stability, and properties of AlrSiO4(OH)r: A fully hydrated analogue of topaz”, American Mineralogist, Volume 78, pages 285-297.
6. P.luL A. Nonnrnur, Rrcn.qnn J. Rmnnn, 1994, “Evidence for the importance of growth-surface structure to trace element incorporation in topaz”, American Mineralogist, Volume 79, pages I167-1175.
7. M. D. BentoNr, 1982, “The thermodynamic properties of fluor'topaz”, American Mineralogist, Volume 67, pages 350-355.
8. Nguyễn Kinh Quốc, 2008, “Topaz Việt Nam, sự phân bố, nguồn gốc và định hướng tìm kiếm mở rộng”, Proceeding of the International Symposium “Geo-and Material Science on Material Resources of Vietnam”, Hanoi.
9. E.G. Yukihara, E.M. Yoshimura, E. Okuno, 2002, “Paramagnetic radiation-induced defects in gamma-irradiated natural topazes”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 191 (2002) 266–2.