การเพิ่มคุณค่าโทแพซใสไม่มีสีโดยอิเล็กตรอน

แปลและเรียบเรียงโดย
กาญจนา บุญชำ, นูฮายาตี สะแลแม,
อภิเชษฐ์ มณีวงษ์ และ อารีรัตน์ คอนดวงแก้ว
โครงการวิจัยฟิสิกส์และวิทยาการก้าวหน้า สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ
โทแพซ พบได้เกือบทุกทวีปทั่วโลก สีของโทแพซมีหลายสี ได้แก่ ใสไม่มีสี, สีแดง, สีชมพู, สีส้ม, สีน้ำตาล, สีเหลือง, สีน้ำเงินและสีเขียว สีแดงเชอร์รี่ที่เรียกว่า อิมพีเรียล (cherry-red imperial) และโทแพซสีชมพู (pink topaz) ที่พบในประเทศบราซิล เป็นโทแพซที่มีราคาสูงที่สุด นอกจากนี้ยังพบโทแพซสีน้ำเงิน (blue topaz) ด้วย ซึ่งการเกิดสีน้ำเงินนี้ เกิดจากการที่โทแพซได้รับรังสีจากต้นกำเนิดรังสีตามธรรมชาติ ที่มีอยู่ในพื้นดินเป็นเวลาหลายล้านปี โทแพซสีน้ำเงินที่เกิดตามธรรมชาติ เป็นสีน้ำเงินจางๆ ซึ่งไม่ได้รับความนิยมมากนัก โทแพซที่พบโดยทั่วไปส่วนใหญ่เป็นโทแพซใสไม่มีสี (colorless topaz) ซึ่งการที่พบโทแพซใสไม่มีสี (colorless topaz) เป็นส่วนใหญ่นี้ทำให้โทแพซใสไม่มีสี (colorless topaz) เป็นโทแพซที่มีราคาไม่สูง

ช่วง 2 ทศวรรษที่ผ่านมา เทคนิคในการใช้รังสี สำหรับทำให้โทแพซใสไม่มีสี (colorless topaz) มีสีขึ้นมา เพื่อให้เป็นที่ต้องการมากขึ้น และเพื่อให้เป็นสีน้ำเงินถาวรนั้น ได้มีการพัฒนาขึ้นเป็นลำดับ และปัจจุบันเทคนิคการเพิ่มคุณค่าอัญมณีโดยการฉายอิเล็กตรอน (Electron Beam) นั้น ได้นำมาใช้สำหรับการผลิตโทแพซสีน้ำเงิน (blue topaz) ในปริมาณมาก เทคนิคนี้ทำให้โทแพซสีน้ำเงิน (blue topaz) กลายเป็นโทแพซที่พบเห็นทั่วไปในอุตสาหกรรมอัญมณี

สีของโทแพซที่ได้จากการฉายรังสี

โทแพซสีต่างๆ ที่ได้จากการฉายรังสี ได้แก่
โทแพซสีน้ำเงินท้องฟ้า (Sky Blue Topaz ) ซึ่งเป็นผลมาจากการทำให้โทแพซใสไม่มีสี (colorless topaz) มีสี โดยการฉายรังสีแกมมาจากต้นกำเนิดโคบอลต์-60 (Co-60) หรือ อิเล็กตรอนจากเครื่องเร่งอนุภาค และการใช้ความร้อน

โทแพซที่ฉายอิเล็กตรอนพลังงานสูง จากเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น (linear accelerator) ให้ผลออกมาเป็นสีน้ำเงินท้องฟ้า (Sky Blue)

โทแพซสีน้ำเงินลอนดอน (London Blue Topaz):น้ำเงินอมเทาเข้มปานกลางถึงเข้มมาก เป็นผลมาจากการฉายโทแพซใสไม่มีสี (colorless topaz) ด้วยนิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู และการใช้ความร้อน

โทแพซที่ฉายด้วยนิวตรอน จากเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณ ูให้ผลออกมาเป็นสีน้ำเงินลอนดอน (London Blue )

โทแพซสีน้ำเงินสวิส (Swiss Blue Topaz):เข้มถึงสว่างปานกลางถึงสีน้ำเงินเข้มปานกลาง เกิดจากการผสมผสานหลายเทคนิค คือ ฉายนิวตรอนแล้วฉายรังสีแกมมา หรืออิเล็กตรอน และการใช้ความร้อน

โทแพซที่ฉายด้วยนิวตรอนและอิเล็กตรอน ให้ผลออกมาเป็นโทแพซสีน้ำเงินสวิส (Swiss Blue)

ปัจจัยการเกิดสีในโทแพซ (Coloring factors in Topaz)

สีส่วนใหญ่ในโทแพซนั้นเป็นผลมาจากศูนย์กลางสี (color center) ในโทแพซ ยกเว้นสีชมพูถึงสีม่วง (pink-to-violet) และองค์ประกอบสีชมพูของพลอยสีส้มบางชนิด ซึ่งเป็นผลเนื่องจากการมีโครเมียมเจืออยู่ (K. Nassau, 1984)

โทแพซใสไม่มีสี (colorless topaz) เกือบทั้งหมดจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาล เมื่อได้รับปริมาณรังสีต่ำๆ ( 5 ถึง 10 เมกะแรด), ส่วนโทแพซสีอื่นๆ นั้น ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของสีน้ำตาล ที่เพิ่มเข้ามา เรื่องนี้เกิดขึ้นเมื่อปี 2001 เมื่อกรมไปรษณีย์ของสหรัฐอเมริกา เริ่มทำการฉายรังสีไปรษณีย์ภัณฑ์ต่างๆ ด้วยเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน เพื่อฆ่าสปอร์ของเชื้อแอนแทร็กซ์ (Anthrax spores) ซึ่งสามารถแพร่กระจายไปได้ โดยไปรษณีย์ภัณฑ์ โดยฝีมือของผู้ก่อการร้าย ผู้ค้าอัญมณีและลูกค้าที่มีความเป็นห่วงในเรื่องนี้ ตระหนักว่า การฉายอิเล็กตรอน เพื่อฆ่าเชื้อแอนแทร็กซ์ ส่งผลให้อัญมณีมีการเปลี่ยนสี จึงหันไปใช้บริการจากตัวแทนขนส่งไปรษณีย์ภัณฑ์รายอื่นๆ ที่ไม่ใช้กระบวนการฉายรังสีไปรษณีย์ภัณฑ์

สีน้ำตาลที่เกิดจากการฉายด้วยปริมาณรังสีต่ำๆ จะเข้มขึ้นตามปริมาณรังสีที่มากขึ้น ที่ปริมาณรังสีปานกลาง (500-1,000 เมกะแรด) จะเกิดสีน้ำตาลอมเขียว, ที่ปริมาณรังสีสูงมากขึ้น (1,000-5,000 เมกะแรด) เกิดสีน้ำตาลอมน้ำเงิน และที่ปริมาณรังสีสูงมากๆ (5,000-20,000 เมกะแรด) เกิดเป็นสีน้ำเงิน สีน้ำตาลเกิดจากศูนย์กลางสี (color center) 2 ชนิดที่แตกต่างกัน อย่างแรก เป็นของชนิดซีดจางลงโดยธรรมชาติ (fading nature) และอีกอย่างหนึ่ง เป็นของชนิดที่เสถียรโดยธรรมชาติ (K. Sassau, 1984) ศูนย์กลางสีน้ำตาลที่ปรากฏให้เห็น ส่วนใหญ่เป็นของชนิดซีดจางลง, และเมื่อทิ้งไว้ในแสงสว่าง หรือให้ความร้อนที่ประมาณ 200 องศาเซลเซียส ผลที่ได้สีจะซีดจางลง

รูปแบบของการฉายรังสี

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วโทแพซนิยมนำมาฉายรังสีด้วย เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู, ต้นกำเนิดโคบอลต์ 60 และเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนจากเครื่องเร่งอิเล็กตรอนพลังงานสูง นำมาใช้อย่างกว้างขวางในการเปลี่ยนสีของโทแพซให้เป็นสีน้ำเงินท้องฟ้า (Sky blue) และ สีน้ำเงินสวิส (Swiss blue)

ข้อดีของการฉายรังสีด้วยอิเล็กตรอนเมื่อเทียบกับการฉายรังสีแกมมาคือ สามารถฉายที่ปริมาณรังสีสูงๆ ได้ ซึ่งทำให้เวลาที่ใช้ในการฉายสั้นลง

การฉายด้วยนิวตรอน จะทำให้มีปริมาณรังสีตกค้างในโทแพซ และต้องทิ้งไว้ระยะเวลาหนึ่ง (ตั้งแต่ 2-3 เดือน ถึง 1 ปี) ก่อนที่จะนำไปผ่านกระบวนการอื่น ๆ เช่น การฉายอิเล็กตรอน,การใช้ความร้อน, การตัด หรือการเจียระไน

เครื่องเร่งอนุภาคที่ใช้สำหรับฉายโทแพซ

เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนส่วนใหญ่ที่ใช้ในการปรับปรุงคุณภาพของโทแพซ เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ให้พลังงานสูง10-20 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) และมีกำลังสูง 10-60 กิโลวัตต์ (kW)

กำลังของเครื่องเร่งอนุภาคเป็นสิ่งสำคัญสำหรับอัตราการได้รับรังสีของโทแพซจากอิเล็กตรอน เครื่องเร่งอนุภาคขนาด 10 kW สามารถฉายรังสีโทแพซได้ 15,000 กะรัต ถึง 45,000 กะรัตต่อวัน และ เครื่องเร่งอนุภาคขนาด 60 kW สามารถฉายรังสีโทแพซได้ 100,000 กะรัตต่อวัน ถึง 300,000 กะรัตต่อวัน

พลังงานเป็นส่วนสำคัญที่จะส่งผ่านอิเล็กตรอนไปยังโทแพซ เมื่อพลังงานเพิ่มขึ้นจะทำให้การส่งผ่านอิเล็กตรอนดีขึ้น ถ้าอิเล็กตรอนไม่สามารถทะลุผ่านโทแพซ อนุภาคก็จะหยุด หรือถูกกักไว้ในโทแพซ ก่อให้เกิดสภาพการนำไฟฟ้าในโทแพซ ประจุไฟฟ้าในโทแพซ ก็จะมากขึ้น ถ้าประจุนี้มีค่ามากพอจะทำให้เกิด การปลดปล่อยกระแสไฟฟ้า ลักษณะคล้ายฟ้าแลบ ทำให้เกิดรอยแตกเป็นเส้นเล็กบางมากมาย ออกมาให้เห็นผ่านโทแพซ ในกรณีที่มีการปลดปล่อยกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอีก จะทำให้มองเห็นเป็นจุดกลมสีขาวเล็กๆ

การป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับโทแพซ จำเป็นต้องเลือกพลังงานให้เหมาะสมกับปริมาณของโทแพซที่ฉาย อิเล็กตรอนจะวิ่งทะลุผ่านโทแพซออกมา หลังจากเหนี่ยวนำให้เกิดสีในโทแพซ พลังงานที่เหมาะสม ในการฉายอิเล็กตรอนให้กับโทแพซ ที่มีขนาดเล็กและขนาดกลาง คือ 10 MeV และโทแพซที่มีขนาดใหญ่ จะใช้พลังงานมากกว่า 10 MeV จนถึง 20 MeV สำหรับระดับพลังงานที่สูงกว่า 10 MeV สามารถทำให้เกิดกัมมันตภาพรังสีขึ้นในโทแพซได้ โดยที่กัมมันตภาพรังสีที่เกิด จะขึ้นอยู่กับปริมาณ และธรรมชาติของสารเจือปนในโทแพซ (K. Nassau, 1984) ระยะเวลาที่ต้องปล่อยให้สารกัมมันตรังสีสลายตัวไป จะมีค่าตั้งแต่ 2-3วัน ถึง 2-3 สัปดาห์ จนกระทั่งกัมมันตภาพรังสีอยู่ในระดับที่สามารถยอมรับได้

กระบวนการระบายความร้อน (Process cooling)

เนื่องจากโทแพซได้รับพลังงานสูง (กำลัง (กิโลวัตต์) ยิ่งมาก อุณหภูมิยิ่งสูง) ระหว่างกระบวนการฉายอิเล็กตรอน ดังนั้น การระบายความร้อนให้แก่โทแพซ จึงเป็นสิ่งสำคัญ ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้น้ำเป็นตัวระบายความร้อน โดยมีทั้งแบบที่ให้น้ำไหลผ่าน หรือทำการฉีดพ่นน้ำไปที่โทแพซ ระหว่างทำการฉายรังสี สิ่งที่แสดงให้เห็นว่ามีการระบายความร้อนไม่เพียงพอคือ เมื่อเปลี่ยนมุมในการมองโทแพซไปเล็กน้อย จะสังเกตเห็นรอยแตก ซึ่งล้อมรอบด้วยรอยแตกเป็นเส้นมากมาย หรือเป็นแผ่น ถ้าการระบายความร้อนล้มเหลว โทแพซจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้โทแพซแตกร้าว และสูญเสียสีไปทั้งหมด ซึ่งส่งผลให้เกิดการสูญเสียทางการค้าอย่างมาก การระบายความร้อน โดยระบบการไหลผ่านของน้ำ ต้องได้รับการควบคุมดูแลเป็นพิเศษ และต้องมีระบบควบคุมอัตโนมัติ เมื่อระบบระบายความร้อนล้มเหลว เครื่องเร่งอนุภาคจะหยุดทำงานทันที

การเย็นตัวหลังจากการฉายรังสี (Post irradiation annealing )

หลังจากฉายด้วยอิเล็กตรอน จะมีการเปลี่ยนแปลงศูนย์กลางสี (color center) สีน้ำตาลและสีฟ้าขึ้นในโทแพซ สีน้ำตาลจะจางลง ที่อุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียส ในขณะที่สีฟ้าสีจะคงที่ จนถึงอุณหภูมิ 600 องศาเซลเซียส การให้ความร้อนแก่โทแพซหลายๆ ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียส จะทำให้สีฟ้าในโทแพซเข้มขึ้น

กัมมันตภาพรังสีในโทแพซ

  • โดยส่วนใหญ่จะใช้เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็คตรอนขนาด 10 MeV ในการฉายรังสีโทแพซ และเครื่องเร่งอนุภาคกำลัง 10 MeV นี้ ไม่ได้ทำให้เกิดสารกัมมันตรังสีในโทแพซ
  • โทแพซที่ฉายด้วยเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็คตรอนขนาด 20 MeV สามารถกระตุ้นสารกัมมันตรังสีได้ ถ้าฉายเป็นวันหรือ 2-3 สัปดาห์
  • โทแพซที่ฉายด้วยนิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์จะให้สารกัมมันตรังสีเป็นระยะเวลานาน (ยิ่งฉายนาน ปริมาณรังสียิ่งสูง) จากเป็นเดือนจนถึงเป็นปี ด้วยเหตุผลนี้ เจ้าหน้าที่ด้านสุขภาพ จึงมีกฏที่เข้มงวด ในการวัดค่าความแรงรังสีในโทแพซ ก่อนที่จะปล่อยออกจากกระบวนการฉาย

บทสรุป

โทแพซใสไม่มีสี (colorless topaz)ที่ผ่านกระบวนการฉายรังสีข้างต้น เพื่อให้มีความสวยงามมากขึ้น และยังคงความเป็นโทแพซ ประกอบกับคุณลักษณะเฉพาะที่มีความโปร่งแสงและรอยแตกเฉพาะตัว จึงไม่เรียกโทแพซที่ผ่านกระบวนการเหล่านี้ว่าเป็นโทแพซสังเคราะห์


เอกสารอ้างอิง
Nassau, K. (1984) Gemstone Enhancement. Butterworth-Heinemann Ltd, Oxford.
Personal communication. (2003) Svendsen, E., Iotron Industries, Port Coquitlam.
Photos from AGTA’s leaflet, BLUE TOPAZ, Natural Beauty Enhanced by Technology

ถอดความจาก Electron beam enhancement of colorless Topaz
ผู้เขียน Noomie Lewison
เวบไซต์ http://www.cigem.ca/