61 PHÁT QUANG CƯỠNG BỨC QUANG CỦA THẠCH ANH TỰ NHIÊN Trần Ngọc, Sở Giáo dục & Đào tạo Quảng Bình Vũ Xuân Quang, Viện Khoa học Vật Liệu, TT KHTN&CNQG Nguyễn Mạnh Sơn, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế I. Mở đầu: Năm 1985, lần đầu tiên Huntley, Gdfrey-Smith và Thewalt đã công bố phương pháp đo liều tích luỹ mới, đó là phương pháp phát quang cưỡng bức quang (Optical stimulated luminescence - OSL). Về bản chất, quá trình OSL khá giống quá trình phát quang cưỡng bức nhiệt (TSL), ở đây sự cưỡng bức quang sử dụng năng lượng của các photon quang học với các kỹ thuật khác nhau như: bức xạ cưỡng bức có cường độ không đổi (continuous wave, CW); bức xạ cưỡng bức có cường độ được điều biến tăng tuyến tính từ không đến giá trị cực đại (linear modulation OSL, LM-OSL), hoặc cưỡng bức bằng các xung ánh sáng có độ rộng xung khác nhau (Pulse OSL, POSL). Như vậy, phương pháp OSL khá đa dạng, 62 đây là phương pháp hỗ trợ tốt và trong một số trường hợp là duy nhất trong việc đo liều tích luỹ, đặc biệt cho các vật liệu được lưu giữ hoặc tồn tại trong điều kiện nghèo ánh sáng. Ngoài ra, OSL còn được dùng như một công cụ để nghiên cứu bản chất, cấu trúc các tâm, bẫy và các quá trình chuyển động của các điện tử trong vật liệu TSL [13]. Phương pháp OSL dùng ánh sáng cưỡng bức liên tục có cường độ không đổi (continuous wave-CW) được lấy từ một nguồn đèn hồ quang công suất cao (thông qua hệ kính lọc hoặc máy đơn sắc) hoặc một laser liên tục có bước sóng trong vùng thích hợp, thông thường, tín hiệu OSL được đo tại một vị trí bước sóng quanh cực đại có trong phổ OSL và được ghi cho đến khi sự phát quang kết thúc (các bẫy kích hoạt quang đều trống), vì vậy dạng đường cong tín hiệu là đường cong suy giảm phát quang [3,4,6,13]. Trong LM-OSL, cường độ ánh sáng cưỡng bức được điều biến tăng từ không đến giá trị lớn nhất. Có nhiều cách điều biến cường độ ánh sáng, điều biến cường độ dòng nuôi nguồn kích (laser hoặc đèn - điều biến điện), tạo ra sự thay đổi tuyến tính công suất phát sáng của nguồn, hoặc có thể điều biến bằng cách dùng một kính lọc trung tính được điều khiển bằng môtơ có các tốc độ quét khác nhau trên đường đi của chùm tia phát ra từ nguồn sáng có cường độ không đổi (điều biến quang) [4,6,7,11]. Thạch anh là một khoáng vật được dùng nhiều trong tính tuổi bằng phương pháp phát quang cưỡng bức, các nghiên cứu về OSL của thạch anh dùng các kỹ thuật CW-OSL và LM-OSL cho thấy đường cong suy giảm OSL của thạch anh khá phức tạp. Kết quả phân tích của nhóm tác giả Bailey (1998) cho thấy đường cong là tổ hợp của ba thành phần suy giảm theo động học bậc một. 63 Thành phần “nhanh”, “trung bình” và “chậm” tùy thuộc vào tốc độ tái bắt tương ứng, các thành phần đó thể hiện một cách rõ nét khi dùng kỹ thuật LM-OSL [4,12]. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu về OSL của thạch anh tự nhiên Việt Nam dùng các các kỹ thuật CW-OSL và LM-OSL, các kỹ thuật đo và kết quả thực nghiệm được trình bày và thảo luận. II. Các kỹ thuật thực nghiệm: Các tinh thể thạch anh từ mỏ Lục Yên, Tỉnh Yên Bái được sử dụng trong các nghiên cứu này là các đơn tinh thể có kích thước khá lớn. Đầu tiên chúng được xử lí nhiều lần trong axit HCl và HF để làm sạch các loại khoáng khác, sau đó được cắt mài thành tấm có kích thước 5x5x3 mm 3 và được xử lý nhiệt trong Cặp nhiệt PMT PC Nguồn kích (Laser hoặc đèn dãi rộng) Giao tiếp K í nh l ọ c Mẫu Khu ế ch đại Kính lọc G Hình 1: Sơ đồ cấu tạo hệ đo LM-OSL với nguồn sáng kích thích bằng laser hoặc đèn dãi rộng sử dụng kính lọc điều biến cường độ dùng kính trung tính. Môtơ K í nh trung t í nh 64 không khí ở 500 o C trong 3 giờ. Tất cả các mẫu được chiếu xạ bằng tia X ở chế độ 30 KV-20 mA-20 phút (liều tương đương tại bề mặt mẫu 1 phút chiếu là 50 Gy). Phổ OSL được thực hiện bằng việc kích thích ánh sáng có bước sóng 514,5 nm từ laser Argon (có công suất thiết kế 2.5 W và làm việc ở chế độ công suất tia ra 100 mW), bức xạ OSL thu nhận thông qua một hệ quang học có đơn sắc SPM2 dùng cách tử và nhân quang điện R928, tất cả các công đoạn đo đạc và xử lý mẫu đều được thực hiện dưới ánh sáng đèn đỏ. OSL dùng các kỹ thuật kích thích liên tục (CW) và điều biến cường độ (LM) được thực hiện trên hệ đo chi tiết được chỉ ra ở hình 1. Trường hợp kích thích bằng ánh sáng dải rộng có bước sóng nằm trong khoảng từ 420 nm đến 560 nm dùng một đèn halogen 150 W ghép với kính lọc GG420. Mẫu được đặt trên thanh giá bằng nichrome trong một cryostat có thể điều khiển nhiệt độ của mẫu (trong dải nhiệt từ 77 o K đến 750 o K), có cửa sổ truyền qua bằng thạch anh. Cường độ ánh sáng cưỡng bức được điều biến bằng cách dùng một kính lọc trung tính chiều dài 160 mm (cường độ ánh sáng thay đổi tuyến tính trên suốt chiều dài của kính) gắn với một môtơ quay đều, tốc độ có thể thay đổi tạo nên sự thay đổi cường độ ánh sáng kích thích với các tốc độ khác nhau trên bề mặt mẫu. Tín hiệu OSL được tách khỏi ánh sáng kích thích thông qua hệ kính lọc U340 (có vùng truyền qua từ 300 nm đến 400 nm). 3. Kết quả và thảo luận 3.1 Phổ bức xạ OSL Dùng ánh sáng có bước sóng 514,5 nm của laser Argon kích thích vào mẫu thạch anh đã được chiếu xạ Thanh đốt Cêng ®é OSL (®vt®) H ì nh 2 : Ph ổ b ứ c x ạ OSL c ủ a th ạ ch anh, k í ch th í ch bằng bức xạ 514.5 nm của laser Argon ở chế độ 100 mW. 65 bằng bức xạ tia X trước đó (30 KV-20 mA-20 phút), bức xạ phát quang OSL ghi nhận được trên hình 2. Phổ bức xạ là một dải rộng từ 330 nm đến 500 nm có các cực đại ở khoảng 370 nm và 465 nm, sự suy giảm nhanh của dải bức xạ này thể hiện ở các lần ghi nhận sau đó. Cường độ của dải bức xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: cường độ và bước sóng của ánh sáng kích thích, liều mà mẫu hấp thụ được trước đó và lịch sử xử lý độ nhạy của mẫu trước khi chiếu xạ. Sự xuất hiện của dải bức xạ OSL được giải thích là sự tái hợp của các điện tử được giải phóng từ những bẫy nhạy quang trong quá trình kích thích với các lỗ trống tại các tâm tái hợp phát quang. So sánh với dải bức xạ trong quá trình cưỡng bức nhiệt của bẫy 110 o C thấy có sự phù hợp về dạng và vị trí đỉnh. Theo các nghiên cứu của McKeever và các cộng sự (1999) thì dải bức xạ này liên quan đến bẫy điện tử 110 o C trong quá trình TL và cũng theo các nghiên cứu của nhóm tác giả này thì dải bức xạ có cực đại ở 370 nm được quy cho là sự tái hợp bức xạ của các điện tử và lổ trống tại tâm lổ trống [H 3 0 4 ] 0 ở vị trí vacancy Si, còn dải bức xạ có cực đại ở khoảng 465 nm liên quan đến tâm lổ trống [Al0 4 ] 0 ở vị trí của Si [1,4,7,8,12,13]. 3.2. OSL dùng kỹ thuật CW: Khi ánh sáng kích thích được giữ cường độ không đổi, bức xạ OSL của thạch anh được ghi nhận nhờ vào các thiết bị được mô tả chi tiết ở hình 1, kết quả được chỉ ra trên hình 3, đường cong suy giảm không tuân theo hàm mũ đơn mà là tổ hợp của nhiều hàm mũ, ta có thể phân tích bằng cách làm khít theo hàm suy giảm đơn, ta được 3 thành phần “nhanh”, “trung bình” và “chậm” như hình 3. Thành phần “nhanh “ liên quan đến bẫy 325 0 C trên đường cong TSL, điều đó được thể hiện trên hình 4. Các đường cong TSL đo trước và sau khi đo OSL cho thấy đỉnh 325 0 C hầu như bị khử rất nhanh trong quá trình đo OSL. 66 100 200 300 0.19 0.20 0.21 0.22 3 2 1 Cêng ®é OSL (®vt®) Thêi gian (gi©y) 0 10 0 200 300 400 500 0 2 4 6 110 240 375 325 T rí c khi ® o O S L Sa u kh i ®o O SL Cêng ®é TL NhiÖt ®é ( 0 C ) Hình 3: Đường cong suy giảm OSL củ a thạch anh và các thành phần- (1): nhanh, (2): trung bình và (3): chậm. Hình 4: Đường cong nhiệt phát quang tích phân của thạch anh trước và sau khi đo OSL. Bằng một loạt các phép đo trên các mẫu có các chế độ khác nhau và phân tích chi tiết các đường cong ta thấy rằng dạng của đường cong suy giảm phụ thuộc vào 4 yếu tố cơ bản: lịch sử xử lý độ nhạy của mẫu, liều mẫu đã hấp thụ, cường độ ánh sáng kích thích và nhiệt độ của mẫu trong lúc đo. 3.3 OSL dùng kỹ thuật LM: Đặc trưng đường cong LM-OSL đo tại nhiệt độ phòng được chỉ ra trên hình 5, mẫu được chiếu xạ tia X (1000 Gy) và đo OSL bằng cưỡng bức ánh sáng có công suất thay đổi từ không đến cực đại (khoảng 15mW/cm 2 tại bề mặt mẫu) trong thời gian 700 giây. 67 Ta thấy rằng đường cong LM-OSL không xuất phát từ không tại t = 0, điều này được giải thích bằng sự tồn tại thành phần lân quang do các bẫy nông bị cưỡng bức nhiệt tại nhiệt độ phòng, thành phần này có thể bị khử bỏ bằng cách xử lý nhiệt cho mẫu trước khi đo OSL (cỡ 100 0 C) trong một vài phút. Phân tích đường cong LM-OSL bằng phương pháp làm khít tối ưu thành 3 thành phần: 1, 2, 3. Dải (1) có cực đại khá rõ nét sau hơn 100 giây kích thích, cực đại này liên quan với thành phần khử nhanh trong đường cong CW-OSL, một dải rộng (2) có cực đại ở 350 giây liên quan đến thành phần “trung bình” và một dải rộng (3) liên quan đến thành phần suy giảm “chậm” của CW-OSL [4]. 200 400 600 800 1000 1 2 3 100 o C 70 o C 50 o C 25 o C Cêng ®é OSL(®vt®) Thêi gian (gi©y) H ì nh 5: Đư ờ ng cong LM - OSL c ủ a th ạ ch anh đo tại nhiệt độ phòng, tốc độ kích thích chậm và phân tích 3 thành phần bằng cách làm khớp tối ưu. H ì nh 6 : Đư ờ ng cong LM - OSL đ o t ạ i c á c nhiệt độ khác nhau (tốc độ kích thích không thay đổi). 200 400 600 6.4 6.5 6.6 tæng 3 2 1 Cêng ®é LM-OSL (®vt®) Thêi gian (gi©y) 68 Các kết quả đo LM-OSL tại các nhiệt độ khác nhau trên hình 6. Trong khoảng nhiệt độ từ 25 0 C đến 100 0 C, cường độ OSL tăng theo nhiệt độ đo, hay nói cách khác, ở đây có sự hổ trợ của nhiệt độ. Tuy nhiên khi đo ở nhiệt độ 140 0 C trở lên không thu được tín hiệu OSL nữa. Một điều đáng lưu ý là đồng thời với sự tăng tín hiệu khi nhiệt độ tăng thì kèm theo sự suy giảm nhanh phần đuôi của đường cong khi thời gian kích thích dài. Việc kiểm tra thành phần suy giảm chậm có thể thực hiện bằng cách đo nhiều lần trên cùng một mẫu đã chiếu xạ. Các kết quả thực nghiệm cho thấy, chỉ có lần đo đầu tiên có khả năng cho đầy đủ phần tăng ban đầu, còn những lần đo sau chỉ thu được dải rộng suy giảm chậm trong thời gian dài trên đường cong LM- OSL (hình 7). Điều đó được giải thích do quá trình kích thích quang đã làm trống các bẫy một cách cục bộ chứ không làm trống hoàn toàn cùng một lúc. Phân tích một cách kỹ lưỡng dải rộng ta thấy rằng chúng có nhiều cực đại chen lấn nhau, điều đó thể hiện sự 6.4 6.6 §o lÇn 1 §o lÇn 2 §o lÇn 3 Cêng ®é OSL (®vt®) Hình 7: LM-OSL với các lần đo khác nhau trên cùng một mẫu chiếu xạ tia X (30 KV-20 mA- 20 ph). 69 cấu thành nên thành phần này không phải là một bẫy đơn mà là tổ hợp của nhiều bẫy cùng đóng góp, việc phân tích bằng cách làm khít đường cong được thể hiện ở hình 5 là một bằng chứng cụ thể. 4. Kết luận: Những đặc trưng của OSL trong thạch anh Lục Yên đã được nghiên cứu. Phổ OSL của thạch anh chiếu xạ kích thích bằng bức xạ có bước sóng 514,5 nm của laser Argon cho một dải rộng từ 330 nm đến 500 nm có các cực đại chính ở 370 nm và 465 nm, các dải bức xạ này là do sự tái hợp của các điện tử được giải phóng trong quá trình cưỡng bức quang với các lỗ trống tại các tâm bức xạ phát quang [H 3 0 4 ] 0 và [Al0 4 ] 0 . Tín hiệu CW- OSL giảm một cách đơn điệu, đường cong suy giảm CW-OSL là tổ hợp 3 thành phần suy giảm, trong đó thành phần suy giảm nhanh có liên quan đến bẫy điện tử ở 325 0 C trên đường cong TSL. Đường cong LM-OSL gồm các đỉnh đặc trưng, điều đó cho thấy tín hiệu OSL được hình thành bởi nhiều thành phần, bằng cách cưỡng bức và đo trong một thời gian ngắn, cho phép tách đường cong LM-OSL thành các thành phần có nguồn gốc từ các bẫy khác nhau. Đường cong LM-OSL của thạch anh có một đỉnh rõ nét xuất hiện ở đoạn đầu (sau 100 giây kích thích) và một dải rộng có một số cực đại. Bằng cách làm khít đường cong cho thấy sự hợp thành đường cong OSL là một tổ hợp của nhiều thành phần suy giảm trong đó có ba thành phần chính “nhanh”, “trung bình” và “chậm”. Các kết quả thực nghiệm này đã chứng tỏ được khả năng đo đạc và triển vọng ứng dụng OSL của thạch anh trong việc xác định liều tương đương cho việc định tuổi trong địa chất và khảo cổ. 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. A.G.Wintle and A.S.Murray. The relationship between quartz thermoluminescence, photo-transferred thermoluminescence, and optically stimulated luminescence; Radiation Measurements. Vol 27 (1997) 611- 624. 2. A.Shmilevich, R.Chen. Studies of excitation, optical bleaching and thermal annealing of OSL in natural quartz. J.Phys.D: Appl. Phys.29, (1996) 1047 – 1050. 3. D.Banerjee. Supralinearity and sensitivity changes in optically stimulated luminescence of annealed quartz; Radiation Measurements. Vol 33 (2001) 47-57 4. E.Bulur, L.Butter - jensen and A.S.Murray. Optically stimulated luminescence from quartz measured using the linear modulation technique. Radiation Measurements. Vol 32, (2000) 407 - 411. 5. E.J.Rhodes. Observations of thermal transfer OSL signal in glacigenic quartz. Radiation Measurements. Vol 32 (2000) 595 - 602. 6. I.K.Bailiff and V.B.mikhailik. Spatially - resolved measurement of optically stimulated luminescence and time-resolved luminescence. Radiation Measurements 2 (2002) 487 - 493. [...]... TẮT Thạch anh là một vật liệu được dùng nhiều nhất trong tính tuổi và đo liều tích lũy bằng phát quang Các nghiên cứu về phát quang cưỡng bức quang (OSL) trong thạch anh dùng các kỹ thuật kích thích bức xạ liên tục (CW-OSL) và kích thích cường độ tăng tuyến tính (LM-OSL) cho thấy đường cong suy giảm OSL của thạch anh khá phức tạp Đường cong suy giảm là tổ hợp của ba thành phần suy giảm theo động học. .. một Thành phần “nhanh”, “trung bình“ và “chậm” tuỳ thuộc vào tốc độ tái bắt, tương ứng Các nghiên cứu cho thấy, tín hiệu LMOSL của thạch anh có đỉnh rất rõ nét xuất hiện ngay đoạn bắt đầu của đường cong và nó được xem là thành phần bị khử “nhanh” trong đường cong OSL khi dùng kỹ thuật CW-OSL và một dải rộng có các đỉnh chồng chập là thành phần suy giảm trung bình và chậm ở đoạn cuối của đường cong LM-OSL... đỉnh chồng chập là thành phần suy giảm trung bình và chậm ở đoạn cuối của đường cong LM-OSL OPTICALLY STIMULATED LUMINESCENCE OF NATURAL QUARTZ Trần Ngọc, Education and Trainning Department of Quang Binh Vũ Xuân Quang, Institute of Materials Science, NCST Nguyễn Mạnh Sơn, University of Sciences, Hue University 72 SUMMARY Quartz is one of the most useful materials for luminescent dating and accumulative . PHÁT QUANG CƯỠNG BỨC QUANG CỦA THẠCH ANH TỰ NHIÊN Trần Ngọc, Sở Giáo dục & Đào tạo Quảng Bình Vũ Xuân Quang, Viện Khoa học Vật Liệu, TT KHTN&CNQG Nguyễn Mạnh Sơn, Trường Đại học Khoa. khá giống quá trình phát quang cưỡng bức nhiệt (TSL), ở đây sự cưỡng bức quang sử dụng năng lượng của các photon quang học với các kỹ thuật khác nhau như: bức xạ cưỡng bức có cường độ không. 72 TÓM TẮT Thạch anh là một vật liệu được dùng nhiều nhất trong tính tuổi và đo liều tích lũy bằng phát quang. Các nghiên cứu về phát quang cưỡng bức quang (OSL) trong thạch anh dùng các