ปัจจุบันเครื่องมือใน การหาอายุด้วยวิธีเปล่งแสง (Luminescence Dating, TL and OSL) ที่นิยมใช้กันทั่วโลกมีอยู่ 2 ค่าย 2 สายพันธุ์ คือ 1) เครื่องมือสายเยอรมัน และ 2) เครื่องมือ Risø TL/OSL-DA-20 จาก DTU Laboratory ของประเทศเดนมาร์ก ซึ่งในประเทศไทยเท่าที่ทราบ ห้องปฏิบัติการหาอายุโดยวิธีเปล่งแสงมีอยู่ 3 ที่ ได้แก่ 1) สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) ซึ่งใช้เครื่องมือพันธุ์เยอรมัน 2) ภาควิชาธรณีวิทยาคณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และ 3) มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ ซึ่งใช้เครื่องมือจากถิ่นโคนม เดนมาร์กเหมือนๆ กัน ซึ่งบทความนี้มุ่งเน้นอธิบายหลักการการใช้เครื่องมือซึ่งก็จะคล้ายๆ กัน ทั้งของเยอรมันและเดนมาร์กแต่ในส่วนการกดปุ่มจิ้มโน่นจิ้มนี่ ขอใช้ตัวอย่างเครื่องมือจากประเทศเดนมาร์กที่มีอยู่ในภาควิชาภาควิชาธรณีวิทยาคณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เป็นหลัก

โดยภาพรวมเครื่องมือหาอายุด้วยวิธีเปล่งแสงจากประเทศเดนมาร์ก จะประกอบด้วย 4 ส่วนหลัก ได้แก่ 1) คอมพิวเตอร์ประมวลผล 2) คอนโทรลเลอร์ควบคุมการทำงาน 3) อุปกรณ์เครื่องมือและหัววัด 4) อุปกรณ์ใส่และจัดเรียงตัวอย่าง และ 5) ระบบจ่ายก๊าซ

ในส่วนของ 1) คอมพิวเตอร์ประมวลผล คือ เครื่องคอมพิวเตอร์พีซีทั่วไป แต่จะลงโปรแกรมเฉพาะสำหรับการกำหนดคำสั่งในการวัดลงไป รวมทั้งสามารถประมวลผลค่าต่างๆ หลังจากการตรวจวัดได้ด้วย และ 2) คอนโทรลเลอร์ควบคุมการทำงาน ถือเป็นหัวใจของเครื่องมือหาอายุด้วยวิธีเปล่งแสงแสง ทั้งหมดจะเป็นระบบอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งในฐานะผู้ใช้เครื่องก็ไม่มีอะไรที่เราจะต้องเรียนรู้มากนัก แต่ส่วนที่เราจะสามารถปรับแต่งหรือใช้ได้ ได้แก่ การสั่งเปิด-ปิดฝาของหัววัด (หมายเลข 3) และการปรับความแรงในการขยายสัญญาณการเปล่งแสง ดังนั้นรายละเอียดที่มีโดยส่วนใหญ่ในบทความนี้จึงเน้นไปที่ 3) อุปกรณ์เครื่องมือและหัววัด 4) อุปกรณ์ใส่และจัดเรียงตัวอย่าง และ 5) ระบบจ่ายก๊าซ ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

3) อุปกรณ์เครื่องมือและหัววัด

• แกนควบคุมการปิด-เปิด (หมายเลข 2) เป็นกลไกระบบไฮดรอลิก ซึ่งจะไม่เกี่ยวข้องอะไรกับสัญญาจากการตรวจวัด โดยกลไกการปิดเปิดควบคุมได้จาก ปุ่มกด ที่มีให้ในส่วน 2) คอนโทรลเลอร์ควบคุมการทำงาน
• ระบบการอาบรังสี (หมายเลข 1) ส่วนใหญ่จะเป็น แหล่งกำเนิดรังสีเบต้า ซึ่งความแรงของรังสีนั้นน้อยมากๆ เมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดรังสีแกมมา (ที่เราเห็นในภาพข่าวว่าสัมผัสแล้วได้รับบาดเจ็บสาหัสหรือเสียชีวิต) โดยในสภาวะปกติที่ไม่มีคำสั่งอาบรังสี แหล่งกำเนิดรังสีเบต้าจะถูกหอหุ้มด้วยภาชนะที่ทำด้วยตะกั่ว เพื่อป้องกันการรั่วไหลของรังสีที่ธาตุกัมมันตรังสีจะมีการสลายตัว และแผ่รังสีออกมาอยู่ตลอดเวลา ดังนั้นในสภาวะปกติยังไม่ใช้งาน รังสีจะไม่สามารถรั่วไหลออกมาจากระบบได้เพื่อความปลอดภัย แต่เมื่อมีการให้คำสั่งอาบรังสี และมีการใช้ระบบก๊าซมาเป็นตัวกระตุ้น ระบบการอาบรังสีจะถูกเปิดขึ้น ด้วยกลไกของแรงดันก๊าซ ซึ่งในการสั่งการอาบหนังสีเบาหรือแรงกำหนดด้วยหน่วยเวลา (วินาที) ซึ่งผู้วิจัยก็จะต้องปรับเทียบให้เป็นหน่วยการอาบรังสี (เกรย์) จากข้อมูลความแรงของแหล่งกำเนิดรังสีที่เราใช้ เช่น 1 นาที : 2 เกรย์ หากต้องการอาบรังสี 20 เกรย์ ก็ต้องอาบ 20 วินาที เป็นต้น

• แกนกลางสำหรับหมุนจานเรียงตัวอย่าง (หมายเลข 4) ไม่มีกลไกอะไรสลับซับซ้อน เพียงแต่เป็นแกนสำหรับเสียบจานเรียงตัวอย่าง ซึ่งข้อควรระวังก่อนใส่ตัวอย่าง คือ ควรจะดูดเอาเศษตัวอย่างตะกอนที่อาจมีหล่นอยู่ให้หมด เพราะหากมีเศษตะกอนอยู่จะทำให้จานตัวอย่างหมุนไม่ตรงเลข และเกิดข้อผิดพลาดในการตรวจวัดได้
• ระบบการให้ความร้อนและกระตุ้นด้วยแสง (หมายเลข 5) ในการวัดสัญญาณการเปล่งแสงนั้น เริ่มต้นจากการให้พลังงานในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง เช่น ความร้อน (TL) หรือ แสง (OSL) แก่ตัวอย่าง ซึ่งเมื่อถูกกระตุ้นด้วยแหล่งพลังงาน อิเล็กตรอนที่อยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอนจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของการเปล่งแสง

ในส่วนของการกระตุ้นตัวอย่างด้วยความร้อน อุณหภูมิจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นจาก 0 องศาเซลเซียส ไปจนถึง 420 องศาเซลเซียส ด้วยอัตรา 5 องศาเซลเซียส/วินาที โดยในช่วงแรก 0-100 องศาเซลเซียส จะเป็นเพียงการให้ความร้อนแก่ตัวอย่างโดยจะไม่มีการตรวจวัดสัญญาณการเปล่งแสง ทั้งนี้เนื่องจากโดยธรรมชาติของตัวอย่างจะไม่มีการเปล่งแสงในระดับอุณหภูมิ 0-100 องศาเซลเซียสนี้

ในส่วนของการกระตุ้นด้วยแสง ริเริ่มโดย Huntley และคณะ (1985) โดยใช้แสงกระตุ้นสีเขียวจากหลอดอาร์กอนเลเซอร์ (ความยาวคลื่น 514 นาโนเมตร) กระตุ้นการเปล่งแสงในตัวอย่างแร่ควอตซ์ ซึ่งต่อมา Hütt และคณะ (1988) พบว่าแสงอินฟาเรด ก็สามารถกระตุ้นการเปล่งแสงของแร่เฟลด์สปาร์ได้โดยไม่ได้ไปกระตุ้นหรือรบกวนสัญญาณการเปล่งแสงของแร่ควอตซ์แต่อย่างใด

จากคุณสมบัติการตอบสนองต่อแสงกระตุ้นที่แตกต่างกันของแร่ควอตซ์และแร่เฟลด์สปาร์ เราสามารถใช้ประโยชน์ในการตรวจสอบความบริสุทธิ์หลังจากการสกัดตัวอย่างได้ว่าเป็นแร่ควอตซ์บริสุทธิ์หรือไม่ (Bøtter-Jensen และ Duller, 1992) โดยกระตุ้นด้วยแสงอินฟาเรด ซึ่งหากมีสัญญาณการเปล่งแสง แสดงว่ามีการปนเปื้อนของแร่เฟลด์สปาร์ แต่ถ้าการกระตุ้นด้วยแสงอินฟราเรดไม่มีสัญญาณการเปล่งแสงเกิดขึ้น แสดงว่าตัวอย่างนั้นประกอบด้วยแร่ควอตซ์บริสุทธิ์

• หัววัด ฟิวเตอร์และการขยายสัญญาณ (หมายเลข 3) เมื่อตัวอย่างได้รับการกระตุ้นทั้งจากความร้อนหรือจากแสงกระตุ้นเอง การเปล่งแสงจะถูกวัดเป็นปริมาณโฟตอนของแสงด้วย หัววัดแสง (photo detector) และขยายสัญญาณให้เด่นชัดขึ้นด้วย เครื่องขยายสัญญาณแสง (photo multiplier) (หมายเลข 3)

โดยหากเป็นการกระตุ้นด้วยพลังงานความร้อน กราฟจะแสดงในรูปความสัมพันธ์ระหว่างระดับอุณหภูมิที่กระตุ้นให้ตัวอย่างในหน่วยองศาเซลเซียส (แกนแนวนอน) ต่อ ปริมาณการเปล่งแสงของตัวอย่างที่ตรวจวัดได้ในแต่ละระดับอุณหภูมิ ในหน่วย count/sec (แกนตั้ง) เรียกว่ากราฟนี้ว่า TL glow curve และเรียกการหาอายุจากการตรวจวัดโดยวิธีนี้ว่า การหาอายุด้วยวิธีเปล่งแสงความร้อน (Thermoluminescence dating, TL dating)

หากให้พลังงานแสงเป็นตัวกระตุ้นตัวอย่าง กราฟจะแสดงในรูปความสัมพันธ์ระหว่าง เวลาที่ถูกแสงกระตุ้น (วินาที) ในแกนนอน ต่อ ปริมาณการเปล่งแสงในแกนตั้ง เรียกว่ากราฟ OSL decay curve และเรียกการหาอายุจากการตรวจวัดโดยวิธีนี้ว่า การหาอายุด้วยวิธีกระตุ้นด้วยแสง (Optically Stimulated Luminescence dating, OSL dating)

4) อุปกรณ์ใส่และจัดเรียงตัวอย่าง

• ถ้วยและแผ่นแปะตัวอย่าง (หมายเลข 1-2) เดิมทีในการใส่ตัวอย่างเพื่อตรวจวัดสัญญาณการเปล่งแสงมักใช้ถ้วยหลุมใส่ตัวอย่าง ซึ่งใส่ง่ายและสะดวก แต่เนื่องจากพบปัญหาว่าเวลาให้ความร้อนกระตุ้นตัวอย่าง ระดับความร้อนต้องใช้เวลาในการถ่ายจากตัวอย่างชั้นล่างขึ้นไปสู่ชั้นบนทำให้กราฟ TL ที่ตรวจวัดได้มีความเหลื่อมในแง่ของเวลาที่ให้ความร้อน และบางครั้งปริมาณตัวอย่างไม่เท่ากันก็ทำให้ได้สัญญาณที่แตกต่างกันไปด้วย ปัจจุบันจึงนิยมใช้แผ่นแปะตัวอย่างแทนซึ่งในกรณีของแผ่นแปะตัวอย่างจะช่วยควบคุมปริมาณตัวอย่างเป็นแบบชั้นเดียวไม่กองรวมกัน ทำให้ไม่เกิดการเหลื่อมของการให้ความร้อนแก่ตัวอย่างเวลาตรวจวัด
• กาวติดตัวอย่าง (หมายเลข 3) ใช้สำหรับพ่นหรือทาบริเวณแผ่นแปะตัวอย่างก่อนที่จะนำตัวอย่างมาใส่เพื่อให้แผ่นแปะตัวอย่างนั้นติดตัวอย่างตะกอนได้
• จานเรียงตัวอย่าง (หมายเลข 4) จะมีช่องให้ใส่ถ้วยหรือแผ่นแปะตัวอย่างจำนวน 48 ช่อง ดังนั้นในการตรวจวัดหนึ่งถาดหรือจาน สามารถตรวจวัดได้จำนวน 48 ครั้งโดยแต่ละช่องจะมีเลขกำกับ ซึ่งจะสอดคล้องกับตัวโปรแกรมที่ใช้ควบคุมการเลือกตัวอย่างที่จะตรวจวัดหรืออาบรังสี หรือทำกิจกรรมใดๆ เกี่ยวกับการหาอายุทั้งหมด

5) ระบบจ่ายก๊าซ

ระบบจ่ายก๊าซเข้าสู่ส่วนของการตรวจวัดการเปล่งแสง โดยก๊าซมีหน้าที่สำคัญ 2 หน้าที่ คือ 1) ใช้แรงดันของก๊าซเพื่อผลักหรือกระตุกให้แหล่งกำเนิดรังสีเปิด และเริ่มการอาบรังสีให้แก่ตัวอย่าง และ 2) ใช้ชนิดของก๊าซในการไล่ออกซิเจนออกจากระบบตรวจวัดตัวอย่าง

สืบเนื่องจากในการตรวจวัดสัญญาณการเปล่งแสง โดยเฉพาะการเปล่งแสงจากการกระตุ้นด้วยความร้อน หากมีก๊าซออกซิเจนอยู่ในระบบ ความร้อนจะทำให้ออกซิเจนสามารถเผาไหม้และเปล่งแสงได้ ทำให้สัญญาณการเปล่งแสงนั้นผิดเพี้ยนไป ดังนั้นก่อนการตรวจวัดการเปล่งแสงโดยเฉพาะการเปล่งแสงจากการกระตุ้นความร้อน ต้องใช้ก๊าซไนโตรเจน ในการไล่ก๊าซออกซิเจนให้ออกจากระบบไปให้หมดก่อน

จากบทบาทของก๊าซทั้ง 2 หน้าที่ เราสามารถใช้ก๊าซไนโตรเจนเพียงอย่างเดียว เพื่อใช้ทั้งไล่ก๊าซออกซิเจนและใช้แรงดันจากก๊าซไนโตรเจนเอง เพื่อกระตุกระบบการอาบรังสีได้เช่นกัน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากก๊าซไนโตรเจน มีราคาค่อนข้างสูง เมื่อเทียบกับก๊าซออกซิเจน ดังนั้นเพื่อประหยัดงบประมาณการตรวจวัด เราก็อาจใช้ก๊าซทั้ง 2 ชนิด โดยใช้ไนโตรเจนเพื่อไล่ก๊าซออกซิเจนในระบบการตรวจวัด และใช้ก๊าซออกซิเจนซึ่งมีราคาถูกกว่าเพื่อใช้เพียงแรงดันของก๊าซเป็นตัวกระตุ้นระบบอาบรังสีเท่านั้น

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