หลักการเปล่งแสงจากวิธีการกระตุ้นด้วยแสง

การเปล่งแสงจากวิธีกระตุ้นด้วยแสง (Optically Stimulated Luminescence, OSL) เกิดแบบเดียวกับ การเปล่งแสงจากการกระตุ้นด้วยความร้อน (Thermoluminescence, TL) โดยเริ่มจากอิเล็กตรอนที่ถูกกักเก็บอยู่ใน หลุมกักเก็บอิเล็กตรอน (electron trap) ถูกกระตุ้นด้วยแสงและตกไปที่ ศูนย์กลางการเปล่งแสง (luminescence center) ทำให้เกิด ปรากฏการณ์การรวมตัวใหม่ (recombination) และปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอนหรือการเปล่งแสงขึ้น

ความเข้มข้นของการเปล่งแสงจะสัมพันธ์กับจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในตัวอย่าง และสัญญาณการเปล่งแสงที่ตรวจวัดได้จะแสดงอยู่ในรูปความสัมพันธ์ของ ปริมาณการเปล่งแสง หรือ ปริมาณโฟตอน (แกนตั้ง) ที่ลดลงเรื่อยๆ ตามเวลาของการถูกแสงกระตุ้น (แกนนอน) จนถึงระดับที่สัญญาณการเปล่งแสงนั้นมีค่าต่ำสุด (ค่าภูมิหลัง) เรียกกราฟความสัมพันธ์นี้ว่า กราฟ OSL decay curve (รูป ก) ซึ่งแตกต่างจากกราฟ TL glow curve ที่เกิดจากการให้ความร้อนแก่ตัวอย่างในแต่ละระดับอุณหภูมิ

ข้อดีของ OSL ที่ดูจะเหนือกว่า TL

ถึงแม้ว่าในเบื้องต้นกระบวนการเปล่งแสงที่ได้จากทั้งวิธี TL และ OSL สามารถอธิบายด้วยแบบจำลองการเปล่งแสงของแร่โดยทั่วไป แต่ในรายละเอียดของการเปล่งแสงทั้งจาก TL และ OSL นั้นมีที่มาของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกัน (Bøtter-Jensen และ McKeever, 1996) และส่งผลให้ในรายละเอียดของการตรวจวัดสัญญาณการเปล่งแสงและการหาอายุด้วยวิธี OSL นั้น ดีกว่าการหาอายุด้วยวิธี TL โดยมีรายละเอียดของความแตกต่างและข้อดีข้อด้อย ดังนี้

1) ระดับพลังงานในการตรวจวัด OSL ครบถ้วนกว่า TL

จากรูปแสดงแบบจำลองการเปล่งแสงในรายละเอียด ซึ่งประกอบด้วยหลุมกักเก็บ 3 ระดับพลังงาน คือ หลุมกักเก็บอิเล็กตรอนระดับ 1 ระดับ 2 และระดับ 3 และศูนย์กลางการเปล่งแสง (ระดับ 4)

ระดับ 1 เป็นระดับพลังงานที่ตื้นและไม่เสถียร นั่นหมายถึงอิเล็กตรอนสามารถเข้า-ออกได้ตลอดเวลา แม้ในสภาวะอุณหภูมิหรือความดันในสภาวะแวดล้อมธรรมชาติปกติ หรืออีกนัยหนึ่ง ระดับนี้คือ ระดับสัญญาณที่ 110 ^oC เมื่อตรวจวัดด้วยวิธี TL ส่วนระดับ 2 และ 3 เป็นระดับที่เสถียร ซึ่งหมายถึงรับอิเล็กตรอนรับเข้าหลุมกักเก็บอย่างเดียวตลอดเวลาในสภาวะปกติ และเหมาะสมกับการตรวจวัดสัญญาณทั้ง TL และ OSL

ในการตรวจวัดสัญญาณการเปล่งแสงทั้งวิธี TL และ OSL ต้องการสัญญาณเฉพาะระดับ 2 และ 3 ซึ่งเป็นสัญญาณที่เสถียรเท่านั้น ดังนั้นก่อนการตรวจวัดการเปล่งแสง จึงต้องมีการให้ความร้อนเบื้องต้น (pre-heating) ที่เหมาะสมเพื่อกำจัดสัญญาณที่ไม่เสถียรออกไป ก่อนการตรวจวัดด้วยวิธี TL หรือ OSL ซึ่งในทางปฏิบัติการกระตุ้นด้วยวิธี TL (ความร้อน) สามารถกระตุ้นอิเล็กตรอนได้เพียงในระดับ 1 และ 2 เท่านั้น ในขณะที่วิธี OSL (แสง) สามารถกระตุ้นได้ทั้ง 3 ระดับ จากการใช้แสงกระตุ้นที่มีความยาวคลื่นสั้นและพลังงานสูง

และในการกระตุ้นระหว่างการตรวจวัด อิเล็กตรอนต้องตกมาที่ศูนย์กลางการเปล่งแสง (ระดับ 4) หรืออีกนัยหนึ่ง คือ ต้องผ่านกระบวนการ b เท่านั้นจึงจะเกิดการเปล่งแสงได้ การกระตุ้นด้วยวิธี TL (รูปซ้าย) อิเล็กตรอนจากระดับ 2 จะหลุดออกมา (กระบวนการ a) และมีโอกาสทั้งตกไปที่ระดับ 4 (กระบวนการ b) เพื่อเปล่งแสง หรือผ่านกระบวนการ c เพื่อไปกักเก็บในระดับ 3 ที่ลึกขึ้นได้ ซึ่งการขยับขึ้นไปอยู่ในชั้นที่สูงขึ้นตามกระบวนการ c เรียกว่า กระบวนการ re-trapping และไม่ให้สัญญาณการเปล่งแสง ดังนั้นการกระตุ้นด้วยวิธี TL ปริมาณการเปล่งแสงในบางครั้งอาจต่ำกว่าความเป็นจริงเพราะมีการ re-trapping ของอิเล็กตรอนในบางส่วน

ในกรณีของวิธี OSL (รูปขวา) ซึ่งสามารถกระตุ้นอิเล็กตรอนได้ทั้งระดับ 2 และ 3 ทำให้ช่วยลดการเกิด re-trapping ได้ ดังนั้นสัญญาณการเปล่งแสงจึงแปรผันโดยตรงกับปริมาณของอิเล็กตรอนในตัวอย่างนั้นๆ ซึ่งเป็น ข้อดีของวิธี OSL ที่ดีกว่าวิธี TL

2) สัญญาณ OSL ไม่ค่อยเพี้ยน ถ้าต้องวัดซ้ำหลายๆ ครั้ง กับตัวอย่างเดิม

อีกหนึ่งข้อดีของการตรวจวัดการเปล่งแสงหรือปริมาณรังสีด้วยวิธี OSL ซึ่งต่างจากวิธี TL คือ ตัวอย่างที่วัดด้วยวิธี OSL สามารถนำกลับมาอาบรังสีและตรวจวัดซ้ำใหม่ได้หลายครั้ง โดยที่ความไวต่อสัญญาณการเปล่งแสง (luminescence sensitivity) ที่ตอบสนองต่อปริมาณรังสีที่อาบให้ตัวอย่างนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลงมากนัก ทั้งนี้เพราะวิธี OSL ตรวจวัดที่อุณภูมิปกติซึ่งไม่ทำลายโครงสร้างหรือคุณสมบัติการเปล่งแสงมากนักเมื่อเทียบกับวิธี TL ซึ่งให้ความร้อนแก่ตัวอย่างสูงเพื่อตรวจวัดการเปล่งแสง ทำให้โครงสร้างผลึกของตัวอย่างมีโอกาสเปลี่ยนไปและส่งผลให้การตอบสนองของสัญญาณการเปล่งแสงต่อการอาบรังสีมีสัดส่วนไม่คงที่ตลอดการตรวจวัดซ้ำกับตัวอย่างเดิม

3) ด้วยตัวอย่างเดิม หาอายุ OSL เสร็จแล้ว ยังหาอายุ TL ซ้ำได้

คุณสมบัติที่น่าสนในอีกข้อหนึ่งของความสัมพันธ์กันระหว่างสัญญาณ TL และสัญญาณ OSL คือ พบว่าอิเล็กตรอนที่แสดงการเปล่งแสงจาก TL และ OSL นั้น ไม่ได้มีแหล่งกำเนิดมาจากหลุมกักเก็บเดียวกัน เพราะในบางกรณีของการตรวจวัดสัญญาณการเปล่งแสงด้วยวิธี OSL และลบสัญญาณ OSL ออกจนหมดแล้ว แต่กลับพบว่ามีผลกระทบในการลดสัญญาณ TL แค่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น (Bøtter-Jensen, 1993) จากความรู้ในเรื่องนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจวัดสัญญาณ TL หลังจากมีการวัดสัญญาณ OSL ในตัวอย่างตัวเดียวกันได้ โดยที่ไม่มีผลกระทบกับการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณ TL ที่วัดได้มากนัก

ดังนั้นจึงสามารถหาอายุหรือวัดปริมาณรังสีด้วยวิธี TL หลังจากที่มีการหาอายุด้วยวิธี OSL ได้ โดยไม่มีผลอะไรกับค่าอายุวิธี TL (Bøtter-Jensen และ Duller, 1992) แต่จะไม่สามารถหาอายุด้วยวิธี OSL หลังจากทำการตรวจวัดโดยใช้วิธี TL

4) ไม่ยุ่งยากเรื่องการประเมินค่าคงเหลือ (Io)

จากการทดลอง Murray และคณะ (1997) แสดงให้เห็นว่า ก่อนที่จะมีการสะสมตัวของตะกอนลมหอบหรือตะกอนที่ถูกพัดพามาตามน้ำ เม็ดตะกอนจะได้รับแสงแดดอย่างเต็มที่ซึ่งเพียพอที่จะลบล้างสัญญาณที่มีความว่องไวต่อแสง จนถึงระดับหนึ่งที่แสงไม่สามารถลบสัญญาณออกได้ ซึ่งในการวัดปริมาณรังสีหรือการหาอายุด้วยวิธี TL เรียกระดับอิเล็กตรอนที่หลงเหลือนี้ว่า ระดับคงเหลือ (residual, Io) ส่วนวิธี OSL จะวัดเฉพาะส่วนของสัญญาณที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่มีความว่องไวต่อวิธี OSLเท่านั้น ดังนั้นวิธี OSL จึงเป็นการวัดเฉพาะจำนวนอิเล็กตรอนที่สะสมตัวในหลุมกักเก็บ นับตั้งแต่การสะสมตัวของตะกอนครั้งสุดท้ายจนถึงปัจจุบัน ซึ่งแตกต่างจากวิธี TL ที่วัดจำนวนอิเล็กตรอนที่หลงเหลืออยู่ก่อนการสะสมตัวครั้งสุดท้าย รวมกับอิเล็กตรอนที่สะสมตัวตั้งแต่การสะสมตัวของตะกอนครั้งสุดท้ายจนถึงปัจจุบัน นี่จึงเป็นข้อดีอีกข้อหนึ่งของการประยุกต์ใช้การหาอายุตะกอนด้วยวิธี OSL โดยไม่ต้องยุ่งยากนำตัวอย่างอีกส่วนหนึ่งไปจำลองการหลงเหลือสัญญาณก่อนการสะสมตัวของตะกอน

5) มีตัวอย่างน้อยก็หาอายุได้

จากการศึกษาวิจัยอย่างต่อเนื่อง ทำให้เทคโนโลยีในการผลิตแหล่งกำเนิดแสงกระตุ้นนั้นมีประสิทธิภาพสูงขึ้น นักวิทยาศาสตร์สามารถผลิตลำแสงที่เป็นแหล่งกำเนิดแสงกระตุ้น (แสงเลเซอร์) และสามารถกำหนดขอบเขตของการกระตุ้นในพื้นที่เล็กๆ ได้ (เส้นผ่านศูนย์กลาง < 100 ไมครอน) ดังนั้นการวัดปริมาณรังสีด้วยวิธี OSL จึงสามารถใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพกับการวัดตัวอย่างที่มีปริมาณแค่เล็กน้อย โดยใช้ลำแสงเล็กๆ กระตุ้นไปบนตำแหน่งที่ต้องการบนพื้นผิวของเม็ดตัวอย่างที่ต้องการวัด ซึ่งสามารถควบคุมตำแหน่งของลำแสงได้ด้วยระบบอิเล็กทรอนิก ซึ่งปัจจุบันเทคนิคนี้นิยมใช้ในการกระตุ้นตะกอนขนาดทรายแค่เม็ดเดียวเท่านั้นเพื่อตรวจวัดสัญญาณ OSL (Duller และคณะ, 1999a, Duller และคณะ, 1999b) ทำให้การหาอายุด้วยวิธี OSL สามารถทำได้ดีกว่าวิธี TL แม้ในกรณีที่มีตัวอย่างจำกัด

เทคนิคการปรับเทียบปริมาณรังสี

การประยุกต์ใช้ OSL declay curve เพื่อ การหาอายุด้วยวิธีกระตุ้นด้วยแสง (OSL dating) กับวัตถุทางธรณีวิทยาและโบราณคดี ริเริ่มโดย Huntley และคณะ (1985) โดยใช้แสงกระตุ้นสีเขียวความยาวคลื่น 514 นาโนเมตร กระตุ้นการเปล่งแสงในแร่ควอตซ์ที่สกัดจากตะกอนที่ต้องการรู้อายุการสะสมตัว

โดยจาก OSL declay curve ที่ได้จากการตรวจวัด Banerjee และคณะ (1999b) ศึกษารายละเอียดเกี่ยวกับอัตราส่วนสัญญาณ OSL ต่อสัญญาณรบกวน เพราะต้องการตรวจวัดสัญญาณ OSL ให้มีความแม่นยำในระดับมิลลิเกรย์ (mGy) ขั้นตอนการตรวจวัดทำโดยการลบสัญญาณ OSL ที่วัดได้ด้วยสัญญาณพื้นหลัง (ค่าภูมิหลัง) ในช่วงท้ายๆ 10 วินาทีสุดท้ายของการวัดสัญญาณ และพบว่าการคัดเลือกสัญญาณ OSL declay curve มาเป็นตัวแทนในการสร้าง growth curve ควรใช้สัญญาณในช่วง 2-3 วินาทีแรก และในปัจจุบัน ด้วยหลักการพื้นฐานการปรับเทียบปริมาณรังสีของวิธี TL ได้มีการปรับปรุงและพัฒนาเทคนิคหรือระเบียบวิธีการตรวจวัด เพื่อนำไปสร้าง growth curve ของสัญญาณ OSL ไว้อย่างน้อย 3 วิธี ได้แก่

1) เทคนิคหลายกลุ่มตัวอย่าง

เทคนิคหลายกลุ่มตัวอย่าง (Multiple Aliquot) เป็นวิธีที่ง่ายที่สุด โดยแบ่งตัวอย่างออกเป็นกลุ่มย่อยอย่างน้อย 2 ส่วน คือ 1) ตัวอย่างธรรมชาติ (N) และ 2) ตัวอย่างที่อาบรังสี โดยตรวจวัดสัญญาณการเปล่งแสง OSL ของทั้ง 2 ส่วน และเปรียบเทียบปริมาณสัญญาณจากตัวอย่างธรรมชาติ กับสัญญาณที่อาบรังสีที่เราทราบค่า (หน่วย Gy) เทคนิคนี้เป็นเทคนิคเดียวกันกับ เทคนิคการเพิ่มรังสี (additive dose หรือ first glow) ที่นำเสนอโดย Aitken (1985) ในการหาอายุด้วยวิธี TL ดังนั้นเมื่อนำมาประยุกต์ร่วมกับการหาอายุด้วยวิธี OSL บางครั้งเราจะเรียกว่า เทคนิคหลายกลุ่มตัวอย่างแบบเพิ่มรังสี (Multiple Aliquot Additive Dose, MAAD)

2) เทคนิคกลุ่มตัวอย่างเดี่ยว

เทคนิคกลุ่มตัวอย่างเดี่ยว (Single Aliquot) เสนอโดย Mejdahl และ Bøtter-Jensen (1994; 1997) โดยใช้หลักการของการตรวจวัดซ้ำในแต่ละกลุ่มตัวอย่างเดี่ยว ซึ่งมีข้อดี คือ 1) ใช้ตัวอย่างจำนวนน้อย และ 2) มีความแม่นยำสูงขึ้น เนื่องจากตัดความไม่แน่นอนจากการตักตัวอย่างหลายกลุ่มในการหาอายุเดียวกัน ทำให้การตอบสนองของสัญญาณ OSL ในส่วนของตัวอย่างธรรมชาติและส่วนอาบรังสีมีโอกาสที่จะแตกต่างกัน และค่าอายุผิดเพี้ยนไป

โดยได้มีการนำเทคนิคกลุ่มตัวอย่างเดี่ยวของการตรวจวัด OSL ไปประยุกต์ร่วมกับ 4) เทคนิคการฟื้นฟูใหม่ (regeneration) บางครั้งจึงเรียกว่า เทคนิคกลุ่มตัวอย่างเดี่ยวแบบการฟื้นฟูใหม่ (Single Aliquot Regeneration, SAR)

โดยเทคนิคนี้เริ่มต้นจากการนำ กลุ่มตัวอย่างธรรมชาติเพียง 1 กลุ่ม (aliquot) หรือ 1 ถ้วยตรวจวัด มาตรวจวัดสัญญาณ OSL ธรรมชาติ ซึ่งหลังจากการกระตุ้นด้วยแสงเพื่อตรวจวัดสัญญาณ OSL ธรรมชาติแล้ว ตัวอย่างเดิมนั้นจะถูกลบล้างสัญญาณ OSL ออกไปจนหมด คล้ายกับการลบล้างสัญญาณ TL หลังจากได้รับการกระตุ้นจากความร้อน

หลังจากนั้นจึงใช้ตัวอย่างเดิมที่ผ่านการลบล้างสัญญาณ OSL แล้ว อาบรังสีที่ทราบค่า (+1B) และตรวจวัดสัญญาณ OSL อีกครั้ง ทำเช่นนี้ 2-3 ครั้ง (+1B +2B +3B) เพื่อนำไปสร้างกราฟ growth curve ที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณ OSL และปริมาณรังสีที่ทราบค่า จากนั้นจึงนำสัญญาณ OSL ธรรมชาติ (N) มาปรับเทียบเพื่อประเมินค่า ED  ซึ่งจะเห็นได้ว่ากระบวนการทั้งหมดตามที่กล่าวมาในข้างต้นใช้กลุ่มตัวอย่างกลุ่มเดียว (single aliquot) กันทั้งหมด เพื่อให้ได้ค่า ED มา 1 ค่า ดังนั้นในกรณีที่มีตัวอย่างอยู่อย่างจำกัด เทคนิคนี้จึงช่วยประหยัดตัวอย่างมากกว่าเทคนิคหลายกลุ่มตัวอย่าง และจากความทันสมัยของเครื่องมือตรวจวัดสัญญาณ TL-OSL ในปัจจุบัน ที่สามารถใส่ตัวอย่างในเครื่องได้ครั้งละหลายๆ กลุ่มตัวอย่างเดี่ยว ทำให้สามารถตรวจวัดค่า ED ได้คราวละหลายๆ ค่า จากตัวอย่างที่มีอยู่ ส่งผลให้สามารถนำค่า ED ที่ได้มาวิเคราะห์และแปลความในเชิงสถิติได้ว่า ควรเลือกค่า ED ที่เท่าใด (ค่าเฉลี่ย ค่ากลาง หรือค่าที่น้อยที่สุด) มาเป็นตัวแทนของค่า ED ในการหาอายุตัวอย่างด้วยวิธี OSL จากเทคนิคและแนวคิดนี้จึงทำให้การหาอายุด้วยวิธี OSL มีความน่าเชื่อถือในเชิงสถิติมากกว่าการหาอายุด้วยวิธี TL

3) เทคนิคเม็ดตะกอนเดี่ยว

เทคนิคเม็ดตะกอนเดี่ยว (Single Grain) เป็นเทคนิคที่พัฒนามาอย่างต่อเนื่องต่อจาก เทคนิคกลุ่มตัวอย่างเดี่ยว แต่ใช้หลักการเดียวกัน คือ เทคนิคกลุ่มตัวอย่างเดี่ยวแบบการฟื้นฟูใหม่ (Single Grain Regeneration, SGR) ซึ่งด้วยการพัฒนาการบีบลำแสงกระตุ้นให้มีขนาดเล็กลงและการล๊อคตัวอย่างให้ตรงจุดการตรวจวัดที่มีความละเอียดสูง ทำให้สามารถตรวจวัดและประเมินค่าปริมาณรังสีในตัวอย่างโดยใช้เม็ดตัวอย่างเพียงเม็ดเดียว ซึ่งข้อดีของเทคนิคเม็ดตะกอนเดี่ยว ที่มีเพิ่มขึ้นจากเทคนิคกลุ่มตัวอย่างเดี่ยว คือ 1) ใช้ตัวอย่างน้อยลงมาก 2) ด้วยตัวอย่างที่มีอยู่น้อยนิดก็สามารถตรวจวัดค่า ED ได้หลายครั้งสร้างความเชื่อมั่นในเชิงสถิติได้ 3) ตัดปัญหาของความหลากหลายจากการอาบแดดที่ไม่เท่ากันของตะกอนในแต่ละเม็ดได้ โดยที่ค่า ED ที่ตรวจวัดได้จากตะกอนที่ละเม็ด และตรวจวัดหลายๆ เม็ด จะทำให้ได้ค่า ED หลายๆ ค่า และสามารถนำมาพิจารณาดูระดับของการถูกอาบแอดของตะกอนในสภาพแวดล้อมต่างๆ ได้ เช่น ตะกอนที่เกิดจากดินถล่ม จะพบค่า ED กระเจิงอย่างมาก เนื่องจากตะกอนถูกพัดพาแบบรวดเร็วและปั่นป่วน อาจจะได้รับการอาบแดดไม่ทั่วถึง ในขณะที่ตะกอนทะเลทรายอาจจะพบว่าค่า ED นั้นเกาะกลุ่มกันที่ค่าใดค่าหนึ่ง ซึ่งดังที่กล่าวไปในข้างต้นว่า ทำให้การหาอายุด้วยวิธี OSL นั้นมีประสิทธิภาพอย่างมากในการแปลความและตัดสินใจเลือกค่า ED มาเป็นตัวแทนในการคำนวณอายุ

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth