Learn

การหาอายุด้วยวิธีเปล่งแสง : ตอน 2 อัตราการแผ่รังสีจากสิ่งแวดล้อม

ในการกำหนดอายุวัสดุทางธรณีวิทยาหรือโบราณคดีด้วยวิธีการเปล่งแสง ค่าตัวแปรที่เราจำเป็นจะต้องประเมินเพื่อให้ได้มาซึ่งอายุของวัสดุประกอบไปด้วย 2 ส่วน คือ 1) ค่าจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นให้ไปอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอน (Equivalent Dose, ED) ในหน่วย Gy และ 2) อัตราการแผ่รังสีต่อปีของธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ในบริเวณรอบข้าง (Annual dose, AD) ในหน่วย Gy/year ซึ่งในกรณีของค่า AD การที่จะได้มาซึ่งอัตราการแผ่รังสีต่อปีนั้น เริ่มแรกเราจำเป็นจะต้องประเมินหาค่าความเข้มข้นของ ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) ที่ปะปนอยู่ในดินทั้งภายในและโดยรอบตัวอย่าง ซึ่งโดยธรรมชาติ ธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่และมีนัยสำคัญต่อการกระตุ้นอิเล็กตรอนให้เข้าไปฝังตัวอยู่ในหลุมเก็บเล็กตอนนั้นมีอยู่ 3 ธาตุหลักๆ คือ ยูเรเนียม (U) ทอเรียม (Th) และ โปแตสเซียม (K) ซึ่งทั้ง 3 ธาตุดังกล่าว จะสลายตัวไปตามเวลาตาม ค่าครึ่งชีวิต (half life) เฉพาะตัวของแต่ละธาตุ จากนั้นธาตุกัมมันรังสีดังกล่าวจะเปลี่ยนสภาพเป็นธาตุใหม่ พร้อมกับให้อนุภาคที่มีพลังงาน 3 ชนิด ได้แก่ 1) อนุภาคแอลฟา 2) อนุภาคเบตา และ 3) รังสีแกมมา ซึ่งทั้ง 3 อนุภาคนี้ เป็นตัวการสำคัญที่ไปกระตุ้นอิเล็กตรอนให้ไปอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอน ดังนั้นโดยสรุป อัตราการการแผ่รังสีหรืออัตราการกระตุ้นอิเล็กตรอนจะมากหรือน้อย ก็ขึ้นอยู่กับปริมาณของอนุภาคทั้ง 3  และอนุภาคทั้ง 3 จะมีมากหรือรุนแรงแค่ไหน ก็ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของธาตุกัมมันตรังสี U Th และ K เป็นเงาตามตัว

(ก) การ์ตูนแสดงปัจจัยต่างๆ ที่สามารถกระตุ้นอิเล็กตรอนให้เข้าไปฝังตัวอยู่ในหลุมเก็บเล็กตอน (ข) แบบจำลองสรุปผลผลิตที่ได้จากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี

เพื่อที่จะให้ได้มาซึ่งค่า AD หลังจากเก็บตัวอย่างและเตรียมตัวอย่างเรียบร้อยแล้ว อันดับแรกนักวิทยาศาสตร์จะต้องนำตัวอย่างไปตรวจวัดเพื่อคำนวณหาปริมาณความเข้มข้นของธาตุกัมมันตรังสีต่างๆ ที่มีอยู่ในดินที่เก็บมาจากรอบๆ วัตถุหรือตัวอย่างที่ต้องการหาอายุ ด้วยวิธีทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ ซึ่งปัจจุบันก็สามารถทำได้หลากหลายวิธี ตามแต่ความสะดวกของการทำงาน เช่น 1) วิธี Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy (ICP-MS) 2) วิธี Neutron Activation Analysis (NAA) และ 3) วิธี Gamma Spectrometry (GS)

Nat_Irradiation1
(ก) ภาพจริง (ข) แบบจำลองสรุป กลไกการทำงานของเครื่องมือ Gamma Spectrometer (ค) ลักษณะของผลที่ได้จากการตรวจวัดความเข้มข้นของธาตุกัมมันรังสีต่างๆ ในตัวอย่าง จากเครื่อง Gamma Spectrometer

ผลที่ได้จากการตรวจวัดด้วยวิธีต่างๆ ข้างต้น จะได้ค่าความเข้มข้นของธาตุ U และ Th ในหน่วย 1:1,000,000 หรือ past per million (ppm) ส่วนในกรณีของธาตุ K จะได้ในหน่วยเปอร์เซ็นโปแตสเซียม (%K) จากค่าต่างที่ได้เราสามารถคำนวณค่าอัตราการแผ่รังสีต่อปีในหน่วย เกรย์/ปี (Gy/year) ซึ่งนิยมใช้ตารางความสัมพันธ์ระหว่างค่าความเข้มข้นของแต่ละธาตุกัมมันตรังสีและปริมาณการแผ่รังสีต่อปี ซึ่งนำเสนอโดย Bell (1979) ดังแสดงในตาราง

อนุภาคความเข้มข้นแอลฟาเบตาแกมมา
Th1 ppm 232Th0.7380.02860.0514
U1 ppm 238U2.7830.14620.1148
K1% K0.83030.2492
ตารางความสัมพันธ์ระหว่างเข้มข้นของธาตุกัมมันตรังสี (หน่วย ppm หรือ %) และอัตราการแผ่รังสีต่อปี (หน่วย mGy/year) (Bell, 1979)

ซึ่งเมื่อนำผลความเข้มข้นของธาตุกัมมันตรังสีในแต่ละธาตุ ไปคูณกับสัดส่วนอัตราการแผ่รังสีของแต่ละอนุภาค ผลที่ได้ของอัตราการแผ่รังสีหรือ AD ในหน่วย mGy/year แสดงดังนี้

  • Dแอลฟา = 2.783U+0.783 Th
  • Dเบตา = 0.1462U+0.0286Th+0.8303K
  • Dแกมมา = 0.1148U+0.0514Th+0.2492K

อย่างไรก็ตาม จากค่า AD ที่ได้ถึงขั้นตอนนี้ เป็นค่าอัตราการแผ่รังสีต่อปีในทางอุดมคติ หรือเป็นค่าที่ได้ 100% โดยที่ไม่ได้รับผลกระทบซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดการลดทอนของสัญญาณแต่อย่างใด แต่ในทางปฏิบัติสาเหตุของการลดทอนของอัตราการแผ่รังสี และต้องนำมาพิจารณาในการประเมินค่า AD นั้นมีอยู่ 2 ปัจจัยด้วยกัน คือ การลดทอนของสัญญาณเพราะขนาดของเม็ดตะกอนหรือผลึกแร่ ซึ่งสัมพันธ์โดยตรงกับระยะทางในการเดินทางของอนุภาค (แอลฟา เบตา แกมมา) จากแหล่งกำเนิดไปสู่แร่ที่ต้องการหาอายุ และ 2) การลดทอนเพราะปริมาณน้ำหรือความชื้นที่มีอยู่ในดินในธรรมชาติ

ลดทอนความแรงเพราะขนาดตะกอนหรือผลึก

โดยปกติ อนุภาคต่างๆ ที่เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานในการกระตุ้นอิเล็กตรอนนั้น ทั้งอนุภาคแอลฟา เบตาและแกมมา จะมีลักษณะเฉพาะและคุณสมบัติการทะลุทะลวงไม่เท่ากัน

ศักยภาพในการทะลุทะลวงวัสดุต่างๆ ของอนุภาคแอลฟา เบตาและแกมมา ตามลำดับ

โดยปกติในกรณีของดินในธรรมชาติ อนุภาคแกมมามีความสามารถในการทะลุทะลวงได้ถึง 30 เซนติเมตร อนุภาคเบตามีความสามารถในการทะลุทะลวงได้ในระยะ 3 เซนติเมตร ในขณะที่อนุภาคแอลฟามีความสามารถในการทะลุทะลวงแค่ 0.3 มิลลิเมตรเท่านั้น

ดังนั้น การประเมินจะพิจารณาเฉพาะดินหรือสิ่งแวดล้อมในรัศมี 30 เซนติเมตร โดยมีตัวอย่างที่ต้องการหาอายุเป็นจุดศูนย์กลาง ซึ่งอนุภาคแกมมาจะมีประสิทธิภาพการทะลุทะลวงได้ 100% ในรัศมี 30 เซนติเมตร นี้ ในขณะทีอนุภาคเบตาและแอลฟาจะถูกลดทอนประสิทธิภาพในการเป็นตัวกระตุ้นอิเล็กตรอน ไปตามขนาดของเม็ดตะกอนที่อยู่ในสิ่งแวดล้อมนั้น ซึ่ง Aitken (1985) ได้นำเสนอสัมประสิทธิ์ของการลดทอนของอนุภาคเบตา (พจน์ B) และแอฟา (พจน์ K) ที่สัมพันธ์กับขนาดของเม็ดตะกอนไว้ดังรูป

สัมประสิทธิ์การลดทอนแสดง (ก) ความสามารถในการทะลุทะลวงของเบตา (พจน์ B) (ข) ความสามารถในการทะลุทะลวงของแอลฟา (พจน์ K) ที่สัมพันธ์กับขนาดของเม็ดตะกอนที่อยู่ในสิ่งแวดล้อม (Aitken, 1985)

ดังนั้น หากนำปัจจัยของการลดทอน อันเนื่องมาจากขนาดตะกอนหรือผลึก ค่า AD จะแสดงได้ดังสมการ

  • Dแอลฟา = K(2.783U+0.783 Th)
  • Dเบตา = B(0.1462U+0.0286Th+0.8303K)
  • Dแกมมา = (0.1148U+0.0514Th+0.2492K)

ลดทอนเพราะความชื้นที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อม

นอกจากการลดทอนความสามารถในการกระตุ้นอิเล็กตรอนเพราะสาเหตุของขนาดตะกอนแล้ว ยังมีปัจจัยที่สำคัญอีกอย่างที่ลดทอนประสิทธิภาพของอนุภาคต่างๆ ได้ คือ ความชื้นหรือปริมาณของน้ำที่มีอยู่ในตัวอย่างดินในธรรมชาติ ซึ่งมีประสิทธิภาพการลดทอนที่แตกต่างกันในแต่ละอนุภาค ได้แก่ แอลฟา 50% เบตา 25% และแกมมา 14 %

นอกจากนี้ยังมีรังสีบางส่วนที่ได้รับจากนอกโลกหรืออวกาศและสามารถกระตุ้นให้อิเลฺ็กตรอนเข้าไปฝังอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตอนได้เช่นกัน คือ รังสีคอสมิก (cosmic ray) โดยนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ารังสีดังกล่าวสามารถทะละทะลวงชั้นดินลงไปได้ลึกประมาณ 15 เซนติเมตร ดังนั้นจึงถือว่าส่งผลน้อยเมื่อเทียบกับผลกระทบจากธาตุกัมมันตรังสีต่างๆ ที่กล่าวมาในข้างต้น อย่างไรก็ตามในการคำนวณค่า AD อย่างถูกต้อง เพื่อหาอายุด้วยวิธีเปล่งแสงที่แม่นยำ ปัจจัยของรังสีคอสมิกก็จะถูกนำมาใช้พิจารณาค่า AD เช่นกัน

ดังนั้นโดยสรุปหากพิจารณา 1) อัตราการแผ่รังสีต่อปีของแต่ละธาตุกัมมันตรังสี 2) ปัจจัยการลดทอนจากขนาดตะกอนและผลึก 3) ความชื้นที่มีอยู่ในตัวอย่างและสิ่งแวดล้อม และ 4) ผลกระทบจากรังสีคอสมิกที่แผ่มาจากอวกาศ สมการอย่างง่ายของการคำนวณ อัตราการแผ่รังสีต่อปี หรือค่า AD ในหน่วย mGy/year แสดงดังนี้

  • Dแอลฟา = K(2.783U+0.783 Th) / (1+1.50W)
  • Dเบตา = B(0.1462U+0.0286Th+0.8303K) / (1+1.25W)
  • Dแกมมา = (0.1148U+0.0514Th+0.2492K) / (1+1.14W)
  • Dคอสมิก = อนุมานให้เป็นค่าประมาณคงที่เท่ากับ 0.15

กำหนดให้

  • K และ B ขึ้นอยู่กับขนาดของเม็ดตะกอนหรือผลึกแร่ของตัวอย่างในส่วนที่จะนำมาพิจาณาค่า AD
  • W คือ ปริมาณน้ำหรือความชื้นคิดเป็นร้อยละที่อยู่ในช่องว่างของตะกอน (น้ำหนักเปียก – น้ำหนักแห้ง / น้ำหนักแห้ง x 100)
Share: