Learn

การหาอายุด้วยวิธีเปล่งแสง : ตอน 3 รังสีบรรพกาลจาก TL

หลักการตรวจวัดสัญญาณ TL

การเปล่งแสงจากการกระตุ้นด้วยความร้อน (thermally stimulated luminescence) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในช่วงปี ค.ศ. 1950-1960 (Daniels และคณะ, 1953) เพื่อที่จะวัดปริมาณรังสีหรือปริมาณอิเล็กตรอนที่อยู่ในหลุมกักเก็บ ที่วัตถุต่างๆ ได้รับ โดยใช้เครื่องมือวัดที่เรียกว่า หลอดขยายสัญญาณแสง (photomultiplier tube หรือ PM tube) ที่มีความไวต่อแสงสูง เป็นตัววัดสัญญาณการเปล่งแสง หลังจากนั้นในช่วงปี ค.ศ. 1960-1970 จึงได้มีการนำหลักการตรวจวัดดังกล่าวมาประยุกต์ใช้กับงานด้านการหาอายุทางโบราณคดี (เช่น Aitken และคณะ, 1964; Aitken และคณะ, 1968; Mejdahl, 1969) และหาอายุทางธรณีวิทยาในช่วง ค.ศ. 1980-1990 (เช่น Wintle และ Huntley, 1980) และเรียกการหาอายุด้วยเทคนิคนี้ว่า การหาอายุด้วยวิธีเปล่งแสงความร้อน (thermoluminescence dating หรือ TL dating)

หลักการของการวัดปริมาณรังสีเริ่มต้นจากการให้ความร้อนแก่ตัวอย่าง ซึ่งเมื่อถูกกระตุ้นด้วยความร้อน อิเล็กตรอนที่เคยอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอนจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของการเปล่งแสง จากนั้นวัดปริมาณโฟตอนของแสงด้วยหัววัดแสง (photo detector) และขยายสัญญาณให้เด่นชัดขึ้นด้วยหลอดขยายสัญญาณแสง ผลที่ได้จากการตรวจวัด แสดงอยู่ในรูปความสัมพันธ์ระหว่างระดับอุณหภูมิที่กระตุ้นให้ตัวอย่างในหน่วย °C (แกนนอน) ต่อจำนวนอิเล็กตรอนที่ตรวจวัดได้ในรูปของแสงในแต่ละระดับอุณหภูมิ โดยมีหน่วยเป็น count/sec (แกนตั้ง) ดังแสดงในรูป ก ซึ่งกราฟความสัมพันธ์นี้เรียกว่า TL glow curve

(ก) TL glow curve แสดงความสัมพันธ์ของจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในตัวอย่างในรูปของการเปล่งแสง (หน่วย count/sec) ในแต่ละระดับอุณหภูมิ และ (ข) growth curve แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง ค่าการเปล่งแสง (หน่วย count/sec) ที่มีอยู่ในตัวอย่าง และปริมาณกัมมันตภาพรังสีที่ทราบค่า (Gy)

การปรับเทียบปริมาณรังสี

จากสมการความสัมพันธ์ของการหาอายุด้วยวิธี TL คือ

อายุวัตถุ = Equivalent Dose/Annual Dose หรือ ED/AD

กำหนดให้

  • Paleodose หรือ Equivalent Dose (PE หรือ ED) คือ ค่าจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นให้ไปอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอน อันเนื่องมาจากการกระตุ้นจากการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีในบริเวณรอบข้าง มีหน่วยเป็น เกรย์ (Gy)
  • Annual dose (AD) คือ อัตราการแผ่รังสีต่อปีของธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ในบริเวณรอบข้าง ซึ่งธาตุกัมมันตรังสีที่สำคัญ ได้แก่ ยูเรเนียม (U) ทอเรียม (Th) และ โปแตสเซียม (K) รวมทั้งรังสีคอสมิก (cosmic ray) จากชั้นบรรยากาศ ซึ่งมีผลแค่เล็กน้อยเท่านั้น โดย AD มีหน่วยเป็น เกรย์ต่อปี (Gy/year)

เนื่องจากเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบัน ไม่สามารถวัดค่ารังสี หรือ ED ในหน่วย Gy ได้โดยตรง ดังนั้นจึงมีการคิดค้นวิธีการเพื่อให้ได้มาซึ่งค่า ED ที่มีอยู่ในตัวอย่าง ในหน่วย Gy ที่ต้องการ ถึงตรงนี้ สิ่งที่ต้องวิเคราะห์ต่อในการหาอายุ คือ ทำอย่างไรจึงจะทราบว่าจำนวนอิเล็กตรอน (หน่วย count/sec) จาก TL glow curve ที่ได้จากการตรวจวัดด้วยเครื่อง นั้นมีค่าเทียบเคียงได้กับค่า ED ในหน่วย Gy แค่ไหน ดังนั้นกับตัวอย่างตัวเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์จะต้องประเมิน ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณ ED ที่มีอยู่ในตัวอย่าง (Gy) และจำนวนอิเล็กตรอนหรือความเข้มข้นของแสงที่ตรวจวัดได้ (Count/sec) โดยการสร้างกราฟความสัมพันธ์ที่เรียกว่า growth curve (รูป ข) และเทียบปัญญัติไตรยางค์ เพื่อการประเมินความสัมพันธ์ (ดูรูปประกอบ)

ตัวอย่างการคำนวณการประเมินปริมาณรังสีในตัวอย่างในหน่วย Gy เริ่มต้นจาก 1) วัดจำนวนอิเล็กตรอนหรือการเปล่งแสงจากตัวอย่าง ได้ 100 ตัว 2) นำตัวอย่างตัวเดียวกันไปอาบรังสีที่เราทราบค่า 10 Gy และวัดจำนวนอิเล็กตรอนได้ 200 ตัว 3) กำหนดให้ N คือ ค่าจำนวนอิเล็กตรอนในตัวอย่างในหน่วย Gy ซึ่งวัดจำนวนอิเล็กตรอนได้ 100 ตัว ดังนั้น

  • N+10 Gy = 200
  • N Gy = 100
  • (N+ 10)/N = 200/100 = 2
  • ดังนั้น N = 10 Gy

การคัดเลือกสัญญาณ TL ที่เสถียร

เพราะในการวัดค่าปริมาณสัญญาณอิเล็กตรอนที่วัดได้จากเครื่องมือวัดนั้น ค่าที่ได้เป็น TL glow curve ซึ่งเป็นกราฟความสัมพันธ์ระหว่างค่าปริมาณการเปล่งแสงในแต่ละระดับอุณหภูมิ ปัญหาของการประเมิน คือ เราควรจะใช้ค่าใดในการเป็นตัวแทนของกราฟทั้งกราฟนั้น เพื่อนำมาสร้าง growth curve ทั้งนี้เนื่องจากในแต่ละอุณหภูมินั้นมีปริมาณการเปล่งแสงไม่เท่ากัน ดังนั้นเราจึงต้องมีการทดสอบว่าสัญญาณในช่วงอุณหภูมิใด ที่เหมาะสมเป็นตัวแทนของกราฟ TL glow curve เพื่อนำไปใช้ในการสร้าง growth curve ซึ่งสามารถตรวจสอบได้ด้วยวิธีที่เรียกว่า plateau test

โดยทั่วไปแล้วอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงานนั้นต้องการพลังงานกระตุ้นที่แตกต่างกัน ในการทำให้หลุดออกจากหลุมกักเก็บ เช่น ในพลังงานระดับลึกอาจต้องใช้อุณหภูมิถึง 400-500 °C โดยทั่วไปในธรรมชาติ เมื่อแร่ได้รับการกระตุ้นจากกัมมันตภาพรังสีภายนอก อิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงานจะถูกกระตุ้นและเข้าไปกักเก็บในหลุมอิเล็กตรอนที่เป็นสัดส่วนกัน แต่จะมีบางระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนสามารถหลุดออกจากหลุมกักเก็บได้เช่นเดียวกัน แม้ว่าจะอยู่ในสภาวะแวดล้อมธรรมชาติ แต่ในกรณีของที่ระดับพลังงานสูงๆ อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นและถูกกักเก็บแค่อย่างเดียว โดยจะไม่หลุดออกจากหลุมในสภาวะแวดล้อมในธรรมชาติ

นั่นหมายความว่าในการกระตุ้นแต่ละครั้งจะได้รับพลังงานเป็นสัดส่วนเท่ากันเสมอ แต่ในกรณีของพลังงานต่ำ จะมีทั้งการรับเข้าและการคายออก ในขณะที่ในระดับพลังงานสูง จะรับแค่ อย่างเดียวในสภาวะธรรมชาติ ซึ่งช่วงของอุณหภูมิที่ไม่มีการคายพลังงานออกในระหว่างที่วัตถุหรือตัวอย่างฝังอยู่ในดินนั้นสามารถใช้เป็นตัวแทนปริมาณกัมมันตภาพรังสีที่แร่นั้นได้รับนับตั้งแต่ได้รับความร้อนครั้งสุดท้าย (วัตถุที่ถูกความร้อน) หรือได้รับการอาบแดด (ตะกอน) มาจนถึงปัจจุบันได้

แบบจำลองกราฟ TL glow curve แสดงลักษณะการมีอยู่แบบต่างๆ ของสัญญาณ TL ในแต่ละระดับพลังงาน โดยพีคของสัญญาณ TL ระดับพลังงานต่ำ (สีชมพู) จะอยู่ 80-110 oC ซึ่งไม่มีความเสถียรในสภาพแวดล้อมธรรมชาติ คือมีทั้งการรับเข้าและปล่อยออก ส่วนกราฟสีฟ้าแสดงสัญญาณ TL ระสูงที่มีพีคอยู่ระหว่าง 280-320 oC ซึ่งจะมีความเสถียรและสามารถใช้เป็นตัวแทนของกราฟได้

วิธีการคัดเลือกช่วงอุณหภูมิที่อิเล็กตรอนนั้นมีความเสถียรนั้น ทำได้โดยการนำตัวอย่างธรรมชาติ (์N) ไปวัดค่าปริมาณรังสีในแต่ละอุณหภูมิ และอีกส่วนคือ นำตัวอย่างธรรมชาติไปอาบรังสี (N+B) และนำมาวัดในทันที ซึ่งส่วนหลังนั้นจะแสดงถึงการอาบรังสีและวัดทันที (รูป ก) นั่นแสดงว่า ในส่วนที่สามารถสลายได้ในเวลานานนั้นยังอยู่เช่นเดิม ดังนั้นเมื่อนำมาการประเมิน โดยในแต่ละระดับอุณหภูมิให้ใช้ค่าเปล่งแสงของ N/(N+B) จะได้ผลลัพธ์ดังแสดงในรูป ข ซึ่งจะเห็นได้ว่ามีระดับอุณหภูมิช่วงหนึ่งที่แสดงลักษณะยกตัวสูงขึ้นและต่อมาคงที่ คล้ายกับลักษณะภูมิประเทศของที่ราบสูง (plateau) (รูป ข) ซึ่งค่าสัญญาณ TL ที่อยู่ในช่วงนี้มีความเสถียรในการนำไปสร้างกราฟ growth curve ได้ โดยไม่ว่าจะใช้อุณหภูมิที่เท่าใดบน plateau มาวิเคราะห์กราฟ growth curve ก็จะได้กราฟที่เหมือนกัน เป็นอัตราส่วนที่แน่นอน

(ก) ลักษณะTL glow curve ซึ่งวัดได้จากเครื่อง ของตัวอย่างธรรมชาติ (เส้นสีดำ) และตัวอย่างธรรมชาติ+กัมมันตภาพรังสี (เส้นสีเทา (ข) plateau test แสดงลักษณะของสัญญาณที่เสถียรในช่วงอุณหภูมิ 280 °C เป็นต้นไป

เทคนิคการปรับเทียบปริมาณรังสี

ปัจจุบันเทคนิคในการการประเมินความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณ ED ที่มีอยู่ในตัวอย่างและจำนวนอิเล็กตรอนที่วัดได้จากเครื่องมือ มีอยู่ด้วยกัน 4 เทคนิค คือ

1) เทคนิคการเพิ่มรังสี (additive dose หรือ first glow)

เทคนิคการเพิ่มรังสี (additive dose หรือ first glow) (Aitken, 1985) เป็นเทคนิคที่ใช้ตัวอย่างแร่ควอตซ์ธรรมชาติที่สกัดได้ นำไปอาบรังสีที่ทราบค่าแล้วในหน่วย Gy เช่น 30 Gy 60 Gy 90 Gy และ 150 Gy เป็นต้น (รูป ก) จากนั้นนำมาวัดจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในตัวอย่างและสร้างกราฟความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณ ED ที่มีอยู่ในตัวอย่างและจำนวนอิเล็กตรอนที่วัดได้จากเครื่องมือ หรือที่เรียกกว่า growth curve (รูป ข) จากนั้นจึงนำตัวอย่างธรรมชาติ (N) และตัวอย่างที่ผ่านการอาบแดด (Io) ที่วัดได้จากเครื่อง มาเทียบปัญญัติไตรยางค์กับ growth curve เพื่อการประเมินปริมาณรังสีที่มีอยู่ในตัวอย่างในหน่วย Gy โดยในกรณีการหาอายุตะกอน ค่า ED (ED) = N-Io (หน่วย Gy) แต่ถ้าเป็นตัวอย่างที่ผ่านความร้อนมา สามารถใช้ค่า N ตัวเดียวเป็นตัวแทนของค่า ED โดยไม่ต้องลบด้วยค่า Io

(ก) แผนภาพวิธีการประเมินค่า ED ด้วยเทคนิคการเพิ่มรังสี หรือ First glow (ข) growth curve แสดงวิธีการประเมินค่า ED ด้วยเทคนิคการเพิ่มรังสี (Aitken, 1985)

2) เทคนิคอาบแสงบางส่วน (partial bleach)

เทคนิคอาบแสงบางส่วน (partial bleach) (Aitken, 1985) เป็นเทคนิคที่ใช้ตัวอย่างแร่ควอตซ์ธรรมชาติที่สกัดได้ แบ่งเป็น 2 ชุด โดยชุดแรก แบ่งย่อยเป็นส่วนๆ และนำไปอาบรังสีที่ทราบค่าแล้วในหน่วย Gy เช่น 30 Gy 60 Gy 90 Gy และ 150 Gy (Natural+B ในรูป ก) ส่วนชุดที่สอง นำไปอาบแดด 2-3 ชั่วโมง และนำไปอาบรังสีที่ทราบค่าแล้วในหน่วย Gy เช่น 30 Gy 60 Gy 90 Gy และ 150 Gy (Partial+B ในรูป ก) จากนั้นนำตัวอย่างทั้งสองชุดไปวัดจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในตัวอย่างและสร้างกราฟความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณ ED ที่มีอยู่ในตัวอย่างและจำนวนอิเล็กตรอนที่วัดได้จากเครื่องมือ หรือที่เรียกกว่า growth curve (รูป ข) โดยชุดแรกเหมือนกับเทคนิคการเพิ่มรังสี โดยค่า ED ในหน่วย Gy คำนวณได้จากระยะห่างในแนวแกนนอน (X) จากจุดตัดระหว่างแกน ตั้งและแกนนอน จนถึงระในแนวแกนนอนที่กราฟทั้งสองเส้น (กราฟ Natural และ Partial) ตัดกัน ด้วยวิธีนี้ไม่ต้องนำตัวอย่างธรรมชาติ (N) ไปอาบแดดเพื่อคำนวณการประเมินค่าคงเหลือ (Io) เหมือนกับเทคนิคการเพิ่มรังสี

(ก) แผนภาพวิธีการประเมินค่า ED ด้วยเทคนิคอาบแสงบางส่วน (ข) growth curve แสดงวิธีการประเมินค่า ED ด้วยเทคนิคอาบแสงบางส่วน (Aitken, 1985)

3) เทคนิคอาบแสงสมบูรณ์ (total bleach)

เทคนิคอาบแสงสมบูรณ์ (total bleach) (Wintle และ Huntley, 1982) เป็นเทคนิคที่ใช้ตัวอย่างแร่ควอตซ์ธรรมชาติที่สกัดได้ นำไปอาบแดดเป็นเวลาอย่างน้อย 6-8 ชั่วโมง ซึ่งเชื่อว่าในช่วงเวลา 6 ชั่วโมงเป็นต้นไปนั้น สัญญาณในตัวอย่างธรรมชาติจะลดทอนจนถึงค่าคงเหลือ (residual, Io) และไม่สามารถลดทอนได้อีก (Aitken, 1985) จากนั้นนำตัวอย่งที่ผ่านการอาบแดดแล้ว ไปอาบรังสีที่ทราบค่าในหน่วย Gy เช่น 30 Gy 60 Gy 90 Gy และ 150 Gy เป็นต้น (รูป ก) จากนั้นนำมาวัดจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในตัวอย่างและสร้างกราฟความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณ ED ที่มีอยู่ในตัวอย่างและจำนวนอิเล็กตรอนที่วัดได้จากเครื่อง หรือที่เรียกกว่า growth curve (รูป ข) โดยเส้นกราฟจะเริ่มต้นจากค่าคงเหลือ Io เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามสัดส่วนที่อาบรังสีให้กับตัวอย่าง จากนั้นจึงนำตัวอย่างธรรมชาติ (N) ที่วัดได้จากเครื่อง TLD มาเทียบปัญญัติไตรยางค์กับ growth curve เพื่อการประเมินปริมาณรังสีที่มีอยู่ในตัวอย่างในหน่วย Gy โดยในกรณีการหาอายุตะกอน ค่า ED มีค่าเท่ากับระยะทางในแนวแกนนอนของค่าสัญญาณตัวอย่างธรรมชาติไปจนถึงจุดตัดระหว่างแกนตั้งและแกนนอน (รูป ข)

(ก) แผนภาพวิธีการประเมินค่า ED ด้วยเทคนิคอาบแสงสมบูรณ์ (ข) growth curve แสดงวิธีการประเมินค่า ED ด้วยเทคนิคอาบแสงสมบูรณ์ (Wintle และ Huntley, 1982)

4) เทคนิคการฟื้นฟูใหม่ (regeneration)

เทคนิคการฟื้นฟูใหม่ (regeneration) (Takashima และ Honda, 1989) เป็นเทคนิคที่ใช้ตัวอย่างแร่ควอตซ์ธรรมชาติที่สกัดได้ นำไปอบด้วยอุณหภูมิ 320 oC เป็นเวลา 5 ชั่วโมง ซึ่งเชื่อว่าสามารถลบล้างสัญญาณจากตัวอย่างธรรมชาติจนมีค่าเป็น 0 (Takashima และ Honda, 1989) จากนั้น นำตัวอย่างที่ผ่านการอบแล้ว ไปอาบรังสีที่ทราบค่าแล้วในหน่วย Gy เช่น 30 Gy 60 Gy 90 Gy และ 150 Gy เป็นต้น (รูป ก) จากนั้น นำมาวัดจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในตัวอย่างและสร้างกราฟความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณ ED ที่มีอยู่ในตัวอย่างและจำนวนอิเล็กตรอนที่วัดได้จากเครื่อง หรือที่เรียกกว่า growth curve (รูป ข) โดยเส้นกราฟจะเริ่มต้นจากค่า 0 (จุดตัดระหว่างแกนตั้งและแกนนอน) เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามสัดส่วนที่อาบรังสีให้กับตัวอย่าง จากนั้นจึงนำตัวอย่างธรรมชาติ (N) และตัวอย่างที่ผ่านการอาบแดด (Io) ที่วัดได้มาเทียบปัญญัติไตรยางค์กับ growth curve เพื่อการประเมินปริมาณรังสีที่มีอยู่ในตัวอย่างในหน่วย Gy โดยในกรณีการหาอายุตะกอน ค่า ED = N-Io (รูป ข)

(ก) แผนภาพวิธีการประเมินค่า ED ด้วยเทคนิคการฟื้นฟูใหม่ (ข) growth curve แสดงวิธีการประเมินค่า ED ด้วยเทคนิคการฟื้นฟูใหม่ (Takashima และ Honda, 1989)

หลังจากได้ช่วงอุณหภูมิที่เราได้ทดสอบแล้วว่าเป็นช่วงที่เสถียรที่สุด จากนั้นจึงเลือกช่วงอุณหภูมินั้นมาใช้เป็นเสมือนตัวแทนของค่าจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมด และนำไปสร้าง growth curve ต่อไป

Share: