Ứng dụng phương pháp nhiệt huỳnh quang trong tính tuổi khảo cổ

Chia sẻ: ViJakarta2711 ViJakarta2711 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cho đến nay, trong số những phương pháp khoa học tự nhiên dùng xác định niên đại đồ gốm và đồ đất nung, đáng chú ý là phương pháp đo tuổi nhiệt huỳnh quang (Thermolumenescence Dating).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng phương pháp nhiệt huỳnh quang trong tính tuổi khảo cổ

Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 59 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT HUỲNH QUANG TRONG TÍNH TUỔI KHẢO CỔ ThS. Dương Văn Danh Trưởng khoa Khoa học Cơ bản, trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt: Cho đến nay, trong số những phương pháp khoa học tự nhiên dùng xác định niên đại đồ gốm và đồ đất nung, đáng chú ý là phương pháp đo tuổi nhiệt huỳnh quang (Thermolumenescence Dating). Trên thế giới, ở các nước có trình độ khoa học công nghệ tiên tiến như: Mỹ, Pháp, Anh, Italia, Australia, Trung Quốc, Nhật Bản… phương pháp này rất được chú trọng. Các nhà khảo cổ học rất quan tâm ứng dụng và hoàn thiện phương pháp này và coi đây là một trong những phương pháp mới có khả năng xác định niên đại cổ vật hữu hiệu với độ tin cậy cao. Cũng như ở nhiều nước trên thế giới, điện tử. Chúng được định xứ ở những tạp điện ở Việt Nam, việc nghiên cứu áp dụng các âm trong tinh thể. Các lỗ trống này ra đời và phương pháp mới – đặc biệt là phương pháp hoạt động theo một cơ chế động học hoàn toàn xác định niên đại mẫu gốm bằng kĩ thuật đối xứng với các điện tử nói trên. Khi được nhiệt huỳnh quang là một trong những vấn cung cấp một nguồn năng lượng bổ sung nào đề đang được chú ý ứng dụng. đó (ở đây là nhiệt năng), các điện tử được giải 1. Phương pháp tính tuổi nhiệt huỳnh quang phóng khỏi bẫy và một phần của chúng sẽ tái 1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp tính tuổi hợp với các lỗ trống. Một phần trong số các Chúng ta biết rằng tất cả mọi vật trên tâm tái hợp đó chính là các tâm huỳnh quang sẽ trái đất đều bị chiếu xạ bởi các tia ion hóa phát được sử dụng trong bài toán tính tuổi. ra từ các nguyên tố phóng xạ và các tia vũ trụ. Như vậy, tín hiệu NHQ tự nhiên Các khoáng vật tự nhiên như thạch anh, (TLN) là kết quả của một quá trình mẫu bị felfspar, đất sét…là những thành phần cấu tạo chiếu xạ tự nhiên bởi các tạp chất phóng xạ phổ biến trong các mẫu khảo cổ, cũng liên tục trong bản thân mẫu và môi trường, (là kết bị chiếu xạ bởi các hạt nhân phóng xạ, chủ yếu quả của quá trình hấp thụ năng lượng từ các thuộc dãy uranium, thorium và đồng vị K-40. bức xạ tự nhiên). NHQ tích luỹ từ trước thời Cùng với thời gian, các tia alpha, beta và điểm «xoá về không» đã bị xoá sạch do nhiệt gamma luôn chiếu vào các khoáng vật và ion độ cao (Hình 1). hóa các nguyên tử [1],[3]. Các điện tử được giải phóng khỏi các nguyên tử rồi sau đó bị bắt bởi các khuyết tật của tinh thể, nằm lại ở các bẫy đó chừng nào chưa nhận một nguồn năng lượng bổ sung để giải phóng chúng. Các bẫy điện tử này ngày càng được lấp đầy bởi các điện tử đã được giải phóng liên tục bởi các nguồn phóng xạ tự nhiên. Đồng thời Hình 1: Nguyên lý tính tuổi phát quang với quá trình đó là sự hình thành các lỗ trống (TL-OSL)[6]
Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 60 Phương trình tuổi NHQ cơ bản: 40 Gy đối với gốm) thì xảy ra hiện tượng Tuổi NHQ (T) = TLN/ Liều chiếu năm (D) x dưới phi tuyến do bão hòa. độ nhạy NHQ () Ta có thể viết lại (1.2) như sau:  = độ nhạy huỳnh quang của mẫu=huỳnh Ti T TL ,i T nonTL ,i (1.3) quang của mẫu trên liều đơn vị chiếu xạ. Q i I i TL ,i nonTL , i Phương trình tính tuổi NHQ thường biểu với: T  ; T  Di Di diễn như sau: b.Trường hợp thực tế có cả 3 nguồn bức xạ TLN , ,  (gộp cả tia vũ trụ). T  (1.1) D Dùng bức xạ i phòng thí nghiệm để xác định Thực tế phương trình tuổi NHQ được xây Qi và Ii.. dựng như sau0: Tổng quát, ta có cho phần TTL,i : a. Trường hợp đơn giản (giả định chỉ có TLi(0) = D0TTL, + D0TTL, + một dạng bức xạ I =  hoặc  hoặc ): D0TTL,  iQi  iDi TTL,i (1.4) Xuất phát từ cách xác định tuổi bằng phương Với: pháp liều chiếu bổ sung kết hợp với hiệu  D 0TTL,    D  0T TL,     D 0T TL, D'  (1.5) chỉnh trên tuyến tính, ta có phương trình tính  i T TL,i tuổi của mẫu (tính bằng đơn vị năm): Qi Như vậy: T TL ,i  (1.6) Pi i i i Di Ti  với P =Q + +I (1.2) Hay: Di Qi trong đó: T TL ,i    T TL ,     T TL ,      T TL ,  - Pi = liều bức xạ tích lũy hiệu dụng cho hiệu  i TL ,1 D    0  i TL ,1  D 0   i TL ,1  D 0  T   T  T  ứng huỳnh quang trong mẫu sau Ti năm (còn gọi là liều khảo cổ). Qi - Di = liều bức xạ tích lũy hiệu dụng cho hiệu  (1.7) k i D 0  k i D 0  k i D 0 ứng huỳnh quang trong một năm. với: - Qi = liều bức xạ tích lũy hiệu dụng cho hiệu  T TL ,   T TL ,   T TL , ứng huỳnh quang quan sát được (còn gọi là k i  i TL ,i ; k  i  i TL ,i ; k i  i TL ,i liều tương đương). T T T - Ii = liều bức xạ tích lũy hiệu dụng cho phần Từ đó ta có: “tiền huỳnh quang” liên quan đến các tâm TL ,i Qi Qi T   i (1.8) không đóng góp cho huỳnh quang và gây ra D  D  D D đặc tính trên phi tuyến tính của nhiều mẫu Với: Di = D+ D+D ; D = ki.D0 ; khảo cổ ở vùng liều chiếu xạ thấp. Hiệu ứng D= ki.D0 ; +D = ki.D0 (trong đó gộp cả Dc của tia vũ trụ). phi tuyến này xảy ra cho bức xạ  và , còn Trong thực tế, ta có: k= k = k = k =1 đối với bức xạ  nó bằng không (do mật độ và k = k  k< 1 ion hóa của  rất cao) (tất cả các bẫy có sẵn- Điều này có thể giải thích như sau: cả bẫy liên quan lẫn bẫy không liên quan đến các hạt  có năng lượng lớn từ 4 đến huỳnh quang đều được điền đầy). 9 MeV. Ngoài ra, do kích thước và khối Hiệu ứng trên phi tuyến xảy ra ở liều lượng lớn nên năng lượng tiêu tán trên một chiếu xạ thấp cỡ 1Gy. Khi liều đủ cao (20 – đơn vị độ dài quỹ đạo cực kỳ lớn, dễ dẫn tới hiệu ứng bão hòa của cường độ nhiệt huỳnh
Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 61 quang, tức là độ nhạy nhiệt huỳnh quang của Thực chất của phương pháp này là so hạt  sẽ thấp hơn nhiều so với hạt  và . sánh dạng của các đường NHQ tự nhiên với Các hạt  và  đâm xuyên sâu hơn nhiều, đường NHQ chiếu liều cộng thêm nhằm tìm hơn nữa năng lượng của chúng lại nhỏ nên ra các đỉnh có độ ổn định cao để ứng dụng không xuất hiện trường bão hòa và độ nhạy trong tính tuổi khảo cổ. nhiệt huỳnh quang của chúng bằng nhau và 2. Kỹ thuật thực nghiệm tính tuổi nhiệt lớn hơn hạt . huỳnh quang Tương tự ta thu được: Trong thực tế, có hai kỹ thuật thực Ii nghiệm trong tính tuổi bằng phương pháp T nonTL,i  (1.9) NHQ [3][5][7]: Di Như vậy ta có:  Kỹ thuật bao thể thạch anh i TL , i nonTL , i Pi  Kỹ thuật hạt mịn T T T  i (1.10) D 2.1 Kỹ thuật tính tuổi với bao thể thạch anh với: P i  Q i  I i và D i  Di  Di  Di Các bao thể thạch anh (có hoạt độ trong đó: phóng xạ rất bé) có đường kính lớn hơn Di  k i .D 0 ; Di  D 0  D  k  i  1 ; 100m được tách từ mẫu đã nghiền mịn. Sau đó các bao thể được xử lý bóc bỏ lớp ngoài. Di  D 0  D ( k i  1) Nhiệt huỳnh quang chỉ đo trên phần lõi còn Nghĩa là trong thực tế (bỏ chỉ số i và 0): lại: Như vậy phần đóng góp vào nhiệt huỳnh P QI quang chỉ tính cho bức xạ  và . Vai trò của T   (1.11) D D bức xạ  được loại bỏ. Việc bóc bỏ lớp và: D = kD+ D+D (1.12) ngoài cùng cũng làm mất đi một phần Ta thu được: (khoảng 10%) liều đóng góp của bức xạ . QI T  (1.13) Phương trình tính tuổi cho kỹ thuật này là: K .D  D  D P 1.2 Phương pháp kiểm tra plateau T (1.14) 0,9 D  D  DC Ngoài fading do nhiệt như đã nói, còn có thể xuất hiện sự “thất thoát điện tử trong Sau khi chuẩn bị mẫu xong, người ta bẫy” không do nhiệt độ, (một cách giải thích chia các hạt thạch anh thành các phần giống là thất thoát xảy ra ngay ở nhiệt độ thấp do nhau, mỗi phần cỡ 5mg và tiến hành các hiệu ứng đường hầm), gọi chung là các bước xác định các đại lượng hoàn toàn tương fading dị thường. Vấn đề đặt ra là làm cách tự như kỹ thuật hạt mịn. Thực tế quy trình nào để xác định vùng bền NHQ trong dải đo. xác định tuổi ở trên chung cho cả hai kỹ Một phương pháp thực hiện được điều này thuật. Chỉ khác một ít về công thức và khâu gọi là kiểm tra plateau (hình 2) [5]. chuẩn bị mẫu. Trong phương pháp này, ta không cần nguồn  và không cần đo liều D. 2.2 Kỹ thuật hạt mịn Cách chuẩn bị mẫu cho phương pháp này như sau:
Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 62 Kích thước hạt mịn dùng đo NHQ Như vậy, so với phương pháp bao thể được chọn lọc trên cơ sở thời gian lắng của thạch anh, phương pháp này cần phải có chúng trong aceton. Bột mịn (khoảng nguồn  để tính K, D. 200mg) lấy từ mẫu bằng cách khoan với tốc Thường cần chuẩn bị khoảng 16 đến độ chậm (200-300 rpm), loại bỏ phần bột ở 20 đĩa sao cho thật đồng đều, độ phân tán lớp ngoài khoảng 2cm, cho vào cốc thuỷ tinh từng đĩa không được quá 5%. Mẫu bám khá đựng aceton (6cm) lắc đều và để lắng trong chắc trên mặt đĩa, thuận tiện thao tác đo 2 phút. Những hạt có đường kính nhỏ hơn NHQ cho mẫu ngay trên đĩa. 10m vẫn còn lơ lửng trong dung môi. Phần Quá trình chuẩn bị mẫu thường dùng này sẽ được rót sang một cốc khác và tiếp bể siêu âm hỗ trợ, tránh sự dính các hạt nhỏ tục cho lắng. Sau 20 phút những hạt nhỏ hơn vào hạt lớn và quá trình chiết mẫu vào các 1m chưa lắng sẽ được đổ đi. Aceton được ống nghiệm được đồng đều. thêm vào cốc khoảng 40 ml, sau đó được Tất cả thao tác chuẩn bị mẫu phải làm chiết sang các ống nghiệm nhỏ (2ml mỗi trong điều kiện chiếu sáng yếu (ánh sáng đèn ống) dưới đáy có một đĩa nhôm (đường kính đỏ) tránh hiện tượng fading do chiếu sáng. 10mm, dày ½ mm). Các hạt có kích thước Ưu điểm: mong muốn (1-10 m) sẽ lắng dần trên các - Chuẩn bị mẫu đơn giản đĩa nhôm, aceton bay hơi để lại khoảng 1-2 - Lượng mẫu ít mg mẫu trên mỗi đĩa. Cho các ống nghiệm - Giảm tỉ lệ sai số đóng góp do các yếu tố vào tủ sấy ở nhiệt độ 50oC để làm bay hơi bức xạ môi trường (gamma) do đã tính cả aceton. Hình 3 là sơ đồ dùng kỹ thuật hạt đóng góp của bức xạ alpha. mịn tính TLN của mẫu. - Dễ tạo lớp mỏng phù hợp khi chiếu xạ bằng nguồn alpha Nhược điểm: - Việc loại bỏ các bao thể lớn vốn là thành phần nhạy NHQ làm giảm đáng kể tín hiệu NHQ - Tỉ số diện tích bề mặt/ thể tích lớn làm tăng tín hiệu NHQ giả do hiện tượng bề mặt. - Các thành phần khoáng vật không xác định, trong đó có thể có cả các thành phần không thuận lợi trên góc độ NHQ (như fading dị thường). 2.3 Đánh giá liều tương đương P Liều tương đương P, về nguyên tắc có thể tính trực tiếp một cách đơn giản bằng Hình 3: Sơ đồ dùng kỹ thuật hạt mịn tính cách đo NHQ tự nhiên của mẫu (TLN), so TLN của mẫu sánh với NHQ cũng của mẫu đó sau khi Công thức tính tuổi bằng phương chiếu xạ nhân tạo (bêta, gamma với liều biết pháp hạt mịn theo (1.13) là: trước). Tuy nhiên kết quả tính kiểu này QI không có độ tin cậy cao do có thể xảy sự T  K .D  D  D thay đổi độ nhạy sau lần đo đầu tiên (hiện tượng pre-dose effect). Thực tế liều khảo cổ
Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 63 P thường được tính bằng phương pháp chiếu Ví dụ (hình 4)[1] liều cộng thêm [1]: Từ phương trình hồi quy: y = ax+b = 0,73x +4,16, cho y = 0 ta tính được: x = -b/a = -5,7. Do đó Q = 5,7Gy. Nếu tính đến hiện tượng phi tuyến trong đáp ứng liều ở vùng liều thấp, người ta phải cộng thêm một lượng hiệu chỉnh dưới tuyến tính I, nghĩa là P=Q+I. Kết luận: - Phương pháp đo tuổi nhiệt huỳnh quang là một trong những phương pháp mới có khả Hình 4: Minh họa phương pháp chiếu bồi năng xác định niên đại cổ vật hữu hiệu với Mẫu được chia thành nhiều phần nhỏ độ tin cậy cao. (cỡ 5mg). Một số phần để đo TLN, một số - Để tính được tuổi cổ vật, ta phải trải qua phần được chiếu liều cộng thêm và đo NHQ nhiều bước như tính liều chiếu năm D; tính (bao gồm TLN và chiếu xạ nhân tạo). độ nhạy nhiệt huỳnh quang  và liều khảo cổ Các thông số trên hình 4: P. Tính liều khảo cổ P là khâu then chốt - N là tín hiệu NHQ tự nhiên đo được của mẫu. trong tính tuổi NHQ do đó phải trải qua - N+, N +2 là tín hiệu NHQ đo được khi những bước nghiêm ngặt về mặt kỹ thuật. Ở mẫu được chiếu liều cộng thêm 1 (ví dụ Việt Nam, việc nghiên cứu áp dụng các 5Gy), 2 (10Gy)….bằng bức xạ bêta (hay phương pháp mới – đặc biệt là phương pháp gamma). xác định niên đại mẫu gốm bằng kĩ thuật - Đồ thị được thiết lập bằng phương pháp nhiệt huỳnh quang là một trong những vấn hồi quy tuyến tính. đề đang được chú ý ứng dụng và bước đầu - Liều tương đương Q được tính bằng ngoại đã đạt được những kết quả quan trọng. suy đến điểm cắt trục hoành của đồ thị. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Trọng Thành - Vũ Xuân Quang- Phan Tiến Dũng, Ứng dụng phương pháp nhiệt huỳnh quang trong tính tuổi khảo cổ khu đền tháp Mỹ Sơn, Việt Nam – The fourth International Workshop on Geo-and Material-Science on Mineral Resources of Vietnam 2008 [2]. Trần Ngọc, Luận án Tiến sĩ Quang học- Hà Nội (2005). [3]. Trương Quang Nghĩa, Nhiệt phát quang và ứng dụng- Nhà XB ĐHQG- TP Hồ Chí Minh (2008). [4]. Vũ Xuân Quang, Bài giảng Nhiệt phát quang - Nha Trang 2008. [5]. Aitken, M.J, Thermoluminescence Dating Academic Press, (1985). [6]. Aitken, M.J, Archaeological dating using physical phenomena (Rep.Pro.Phys.62 (1999). [7]. Zimmerman, D.W. Thermoluminescence dating using fine grains from potteries. Achaeeometry, Vol13,I 29_52), (1971).